专利名称：一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法
技术领域：
本发明涉及一种可对非合作目标的相对位置和相对姿态进行6自由度精确测量的方法。
背景技术：
航天器自主交会对接任务中，对接前的几十米距离范围内，目前国际上都是借助于光学成像敏感器进行目标相对位置和姿态的测量。因此需要在目标航天器上安装标志灯或者反射器，在交会航天器上安装测量设备对其测量，通过建立目标坐标系和测量坐标系，经过标定确立它们之间的相对位置和姿态关系，以及标志点位置和各个坐标系之间的关系，再经由标志点像的提取与分布计算得出目标相对于测量坐标系的6个自由度运动参 数。为了使测量系统覆盖几十米到亚米的测量范围，目前航天领域的测量技术限于对合作目标的测量，采用主动目标发生器或者被动角反射器作为合作目标，采用单目相机即可完成目标相对6个自由度的位置测量。然而，对于非合作目标，其上没有任何事先安装的标志，若要完成前述的交会对接，就不能采用某种空间分布的标志灯或者反射器之类的已知测量对象作为参考目标。对于非合作目标进行交会对接测量，为了使测量系统覆盖几十米到亚米的测量范围，目前航天在该技术领域仍在探索之中，没有很成熟的技术。利用双目视觉测量目标特征点相对位置的原理是成熟的，如2003年4月徐刚锋在Vol. 32,No. 2 “红外与激光工程”中发表的文章“基于双目视觉模型的运动参数测量”中，提到双目测量点目标模型，推导了误差分析公式，可见双目视觉测量的误差是由模型带来的固有误差，随着距离的增加呈平方增长关系，因此双目视觉测量基线一定的情况下，测量精度随距离迅速下降，导致双目视觉的有效作用距离受到很大限制，不能测量远距离目标。如何降低测量误差，打破双目测量误差模型中误差随距离平方增加的限制，使得远近距离的目标点测量误差都在较小的水平是双目系统扩展应用的关键问题。对于这个问题目前国内外尚无实质性的突破。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种基于附加视距的双目测量方法，可以在线标定视距，从而校正立体视觉计算出的位置坐标，提高测量的精度，同时可以改善测量点的跟踪稳定性。本发明的技术解决方案是一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法，步骤如下(I)在距离非合作目标一定距离的交会航天器的同一方向上安装至少一套双目视觉相机对和一个激光测距仪，其中激光测距仪位于双目视觉相机对的中间位置，激光测距仪的激光束出射方向处于双目视觉相机对光轴平面内两个相机光轴的夹角平分线上；(2)利用标靶对双目视觉相机对和激光测距仪进行标定，获得激光测距仪测量坐标系和双目视觉相机对中任意一个视觉相机测量坐标系的转换关系；
(3)激光测距仪发出激光束至非合作目标，在非合作目标上形成光斑，获取激光测距仪与非合作目标之间的距离，同时利用双目视觉相机对同时对所述光斑进行成像，获取光斑在视觉相机测量坐标系中的三维坐标；(4)利用获取的激光测距仪与非合作目标之间的距离以及步骤(2)得到的转换关系，首先对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标中距离向的坐标进行修正，然后对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标中的其余两个方向的坐标进行修正；(5)获取非合作目标的6自由度测量量，其中三个位置坐标为步骤(4)修正的结果，三个姿态为基于三个位置修正结果的双目视觉相机对的姿态计算结果。所述步骤(4)中对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标进行修正的方法为利用双目视觉相机测量激光测距仪发出的激光点的距离，并与激光测距仪输出的距离进行比较，得到距离向的校正量，然后利用距离向的校正量对其余两个方向进行校正，对于双目视 觉相机对与激光光斑同时获取的其它特征点位置也采用激光光斑距离向校正量进行校正；或者采用拟合的方式，在地面进行所需范围的各距离向位置对于双目视觉测量相机的测量误差进行第一次曲线拟合，然后对第一次曲线拟合的残差再次进行拟合，完成对三维坐标的校正；或者采用拟合的方式，在空间由远及近的过程中对距离进行分段，逐步获得各段的距离数据，分段进行误差拟合，完成对三维坐标的校正。本发明与现有技术相比的优点在于本发明方法以精确的激光测距仪距离向位置测量值修正双目视觉测量系统对于距离向的测量值，突破了传统双目视觉测量系统对于目标点位置测量误差的距离平方增长规律，并利用距离向测量值与垂直距离向测量值之间的代数关系，使测程内远近距离的三个坐标方向位置测量误差值均衡，并得到大幅度降低，提高了全程测量精度。本发明方法不需要像标志灯和反射器之类的合作测量目标作为辅助设备，可以降低交会对接的条件，适合于与完全未知的目标交会对接抓捕，但当存在合作测量目标时本发明方法仍然可行，在超近距离可采用一对双目相机组成的视觉测量系统进行未知目标特征识别与三位坐标确定，进而进行三维相对姿态的测量确定。
图I为本发明方法的原理图；图2为本发明方法的流程图；图3为本发明方法中利用激光测距仪对双目视觉测量系统的误差进行校正的原理图；图4为双目成像误差分析原理图；图5为本发明实施例中双目测量误差数据的拟合曲线；图6为本发明实施例中宽基线误差比较图；图7为本发明实施例中宽基线校正结果。
具体实施例方式如图I所示，为本发明方法的原理图，图中示出了两组双目视觉相机对，在实现本发明的方法时，仅需要一组双目视觉相机对即可，但是为了提高测量的精度，可以选用两组甚至多组双目视觉相机对(按照具体分段进行使用、测量)，每一组双目视觉相机对均独立作为测量元件(即每一组双目视觉相机对之间并无联系)，以下方法叙述中也仅以一组双目视觉相机对为例进行说明。双目视觉相机对朝向目标安装，光轴间使之保持一定夹角，夹角大小确定主要从满足双目交叉视场、测量距离范围、目标大小等要求确定。激光测距仪位于双目视觉相机对中间位置安装，激光束出射方向处于双目视觉相机对光轴平面内两个相机光轴的夹角平分线上,误差不大于其夹角的1/10。除此之外，为了增加相机成像的清晰度，可以增加主动照明系统，以提供覆盖视觉相机的工作光谱并满足相机曝光量的照明，主动照明系统可以适应测量距离的变化分为多档发光强度控制。另外，主动照明系统可以是I组，也可以是多组，安装位置可以在基线中间，也可以在每个视觉相机附近，也可以采用分布式安装方式。测量时，涉及到以下坐标系激光测距仪测量坐标系OAlYtlZtl :原点Otl位于激光发射器出射光束轴上，并在激光测距仪距离零位点(通过标定确定)上。OtlZtl轴方向与出射光束轴一致，朝向出射方向。 O0X0轴垂直于OtlZtl，方向为迎着OtlZtl朝右。OtlYtl与前两轴成右手系。双目视觉左相机像面坐标系U1P1V1:原点P1位于像面探测器左上角点像素中心，横轴P1U1与探测器第一行中心线重合并迎目标向右，纵轴P1V1与左数第一列中心线重合并迎目标朝下。双目视觉右相机像面坐标系UrPr':原点位于像面探测器左上角点像素中心，横轴PPr与探测器第一行中心线重合并迎目标向右，纵轴与左数第一列中心线重合并迎目标朝下。双目视觉左相机测量坐标系O1X1Y1Z1 :原点O1位于探测器中心像素的中心，O1Z1垂直于探测器敏感面指向目标，O1X1和O1Y1分别与P1U1和P1V1平行并方向一致。双目视觉右相机测量坐标系OrXJJr :原点Or位于探测器中心像素的中心，OrZr垂直于探测器敏感面指向目标，OrXr和OA分别与PA和平行并方向一致。世界坐标系OwXwYwZw :原点Ow为测量场内设置的一点，三个坐标轴方向与O1X1Y1Z1或者OrXJrZ,的三个坐标轴方向一致。一般情况下，世界坐标系与双目视觉左相机测量坐标系、双目视觉右相机测量坐标系重合。本发明的测量方法实际由两个不同原理的测量方式组合而成，一是双目视觉测量方式，这是目标相对位置和相对姿态的6个自由度参数的主要测量手段，另一个是激光测距方式，主要是由激光测距仪提供一个打在目标表面上的激光光束亮斑，然后获取亮斑到激光测距仪坐标系的Z坐标。由于在相对较远距离处激光测距仪的测量精度远远高于双目视觉测量，因此可用激光测距仪的微小误差测量的Z坐标校正由双目视觉测量得到的Z坐标。再由双目视觉测量中三个位置坐标之间的关联性，进行X、Y坐标校正，使得视觉测量得到的任意特征点的三个位置坐标都得到校正，从而提高了双目视觉测量的精度，尤其是提高了远距离处目标特征点的测量精度，流程如图2所示。因此，在测量之前，需要知道激光测距仪与视觉相机之间的相对坐标关系，也就是需要对激光测距仪测量坐标系进行标定。这里假设激光测距仪只有一个激光束，并且坐标位于基线的中心处。标定时可以采用棋盘格标靶进行，其原理是在沿着激光测距仪的^轴方向选择三个距离，依次放置棋盘格标靶，然后标定出视觉相机测量坐标系与棋盘格标靶之间的坐标关系，由此再获取视觉相机测量坐标系与激光测距仪测量坐标系之间的坐标关系O标靶在激光测距仪测量坐标系OcTXWc^下的位置关系已知，因此可以直接得到棋盘格标靶上各个格角点的激光坐标。此外，可以从视觉相机的图像中提取并计算出标靶各角点在相机像面坐标系下的坐标，再换算成在相机测量坐标系下的三维坐标，根据这些坐标可以计算出激光测距仪测量坐标系与视觉相机测量坐标系之间的转换矩阵。假设标靶有N个标定角点，在激光坐标系OcTX^c^下N个标定角点的可以表示为矩阵P，
-xI X2 …xNP= Ν
zI Z2zN
I I … I在双目视觉左相机测量坐标系O1-X1Y1Z1下N个标定角点的可以表示为矩阵P1,
xn xIi …xINP1= ^ y'2 VlN
zn znziN
I I … I直角坐标系变换时特征点坐标之间的转换关系如下，
x r\\ rn r\i xI Ay — ~2\ 尸22 ^23 yi +
_Z_ _r31 ^32 Γ33_ _Zl __其中,!Tij是变换矩阵的元素，ti是三维坐标的平移量。i = 1,2,3 ； j = 1,2,3。将上式写为齐次形式，可以得到
'^l 卜 rn rn 卜
少 ^2l r22 r23 t2 y,=
Z ri\ r32 ^33 ,3 2I
I」|_0 0 0设双目视觉左相机测量坐标系与激光测距仪测量坐标系之间的变换矩阵为M，写为矩阵形式为P = M · P1使用最小二乘法，可以求出M，M · P1P11 = PP11为了保证P1P/可逆，点集须不共面。因此在实际试验过程中，标靶提供48个角点，在三个不同距离上测量，共计得到144个不共面的角点。从标定原理来看，标靶放置的位置的精确度对标定精度有影响。测量得到的M可用于激光测距仪测量数据转换到双目视觉测量坐标系下的坐标，以便标定测量误差。激光测距仪不但可以测量目标到激光测距仪测量坐标系的距离，而且激光测距仪的激光束在目标表面上投射的光斑可以作为双目视觉相机对的人造特征点使用，该光斑分别在相机对的左右两个相机焦平面上成像，通过相机像面坐标系与相机测量坐标系的转换，以及熟知的双目相机对于该光斑的特征提取和双目空间位置点解算算法，可以确定该光斑在视觉相机对测量坐标系中的坐标。利用附加视距(激光测距仪获得的测量距离值)对于双目视觉测量的测量误差校正有两种方法，一种是直接校正法，一种是误差拟合法。利用附加视距(激光测距仪获得的测量距离值)对于双目视觉测量的测量误差直接校正原理如下对于纯双目视觉测量系统，视觉相机标定后对特征点的测量依然存在较大的系统误差，其变化规律与测量误差模型吻合，Z轴方向的测量误差呈二次曲线规律。因此在对视觉相机标定后，还需要对双目视觉测量的测量误差进行校正，利用曲线拟合的方法计算出误差的变化规律，在测量结果输出中进行校正。通过试验验证，经过误差校正后，测量精度将会大大提高。但是飞行器在轨的情况下，进行系统误差的校正存在困难，因此本发明方法提出利用激光测距作为附加视距对系统进行误差在线校正用双目视觉系统测量激光测距仪发出的激光点的距离，与激光测距仪输出的距离进行比较，得到校正量，从而对其它的特征点坐标进行校正，流程如图3所示。假设激光点的实际距离为Zi,对于激光光斑距离，双目视觉测量的结果为DJZi)，激光测距仪的读数即附加视距为DJZi),则校正量I3tl(Zi)为b0 (Z1) = Dc (Zi) -Dl (Zi)对于与激光光斑同时捕获的其它特征点，均可采用I3tl(Zi)进行校正，双目视觉相机输出的第j个特征点的距离Dw(Zi),其校正后的值D' Cj(Zi)为Dcj(Zi)=D' Cj(Zi)A(Zi)以上是通过附加视距校正一次双目视觉测量中各个特征点的在测量坐标系O1X1Y1Z1下的Z坐标视觉确定误差的方法，在该坐标系下的X，Y坐标校正是通过成像模型公式计算出来的，方法如下。如图4所示，对于双目视觉测量中Zw方向的校正通过激光测距仪的附加视距完成，如上所述，对于Xw，yw方向位置坐标测量校正通过其与Zw的关系加以校正。图中0符号代表指向页面内的方向矢量；图中yw轴按右手系规则指向页面内；两个视觉相机水平放置，在同一水平面上，即光心O1和Or的y坐标相同；世界坐标系原点为左相机的投影中心，X1和\为像面内水平坐标轴，Y1和Yr为像面内的垂直坐标轴，和坐标轴yw同向；两相机的焦距为和f2,光轴与X轴的夹角为a i和α 2，CO1和ω2为物点P的投影角，B为两个相机投影点之间的基线距离，由几何关系可得到空间点P的三维坐标为
权利要求
1.一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法，其特征在于步骤如下 (1)在距离非合作目标一定距离的交会航天器的同一方向上安装至少一套双目视觉相机对和一个激光测距仪，其中激光测距仪位于双目视觉相机对的中间位置，激光测距仪的激光束出射方向处于双目视觉相机对光轴平面内两个相机光轴的夹角平分线上； (2)利用标靶对双目视觉相机对和激光测距仪进行标定，获得激光测距仪测量坐标系和双目视觉相机对中任意一个视觉相机测量坐标系的转换关系； (3)激光测距仪发出激光束至非合作目标，在非合作目标上形成光斑，获取激光测距仪与非合作目标之间的距离，同时利用双目视觉相机对同时对所述光斑进行成像，获取光斑在视觉相机测量坐标系中的三维坐标； (4)利用获取的激光测距仪与非合作目标之间的距离以及步骤(2)得到的转换关系，首先对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标中距离向的坐标进行修正，然后对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标中的其余两个方向的坐标进行修正； (5)获取非合作目标的6自由度测量量，其中三个位置坐标为步骤(4)修正的结果，三个姿态为基于三个位置修正结果的双目视觉相机对的姿态计算结果。
2.根据权利要求I所述的一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法，其特征在于所述步骤(4)中对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标进行修正的方法为利用双目视觉相机测量激光测距仪发出的激光点的距离，并与激光测距仪输出的距离进行比较，得到距离向的校正量，然后利用距离向的校正量对其余两个方向进行校正，对于双目视觉相机对与激光光斑同时获取的其它特征点位置也采用激光光斑距离向校正量进行校正；或者采用拟合的方式，在地面进行所需范围的各距离向位置对于双目视觉测量相机的测量误差进行第一次曲线拟合，然后对第一次曲线拟合的残差再次进行拟合，完成对三维坐标的校正；或者采用拟合的方式，在空间由远及近的过程中对距离进行分段，逐步获得各段的距离数据，分段进行误差拟合，完成对三维坐标的校正。
全文摘要
一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法，由两个不同原理的测量方式组合而成，一是双目视觉测量方式，这是目标相对位置和相对姿态的6个自由度参数的主要测量手段，另一个是激光测距方式，主要是由激光测距仪提供一个打在目标表面上的激光光束亮斑，然后获取亮斑到激光测距仪坐标系的Z坐标。由于在相对较远距离处激光测距仪的测量精度远远高于双目视觉测量，因此可用激光测距仪的微小误差测量的Z坐标校正由双目视觉测量得到的Z坐标。再由双目视觉测量中三个位置坐标之间的关联性，进行X、Y坐标校正，使得视觉测量得到的任意特征点的三个位置坐标都得到校正，从而提高了双目视觉测量的精度，尤其是提高了远距离处目标特征点的测量精度。
文档编号G01C11/00GK102914262SQ20121037568
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者郝云彩, 贾瑞明, 张弘 申请人:北京控制工程研究所