专利名称：一种基于目标特征构型的位姿测量特征点提取方法
技术领域：
本发明涉及一种基于目标特征构型的位姿测量特征点提取方法，特别是在复杂星空背景下基于目标特征构型的特征点提取方法，属于交会对接技术领域。
背景技术：
随着卫星技术的发展，在航天器空间交会对接任务中，需要精确测量两个航天器之间的相对位置和相对姿态。通常是在目标航天器上设置光学特征点，在追踪航天器上安装CCD传感器，根据光学特征点的几何形状、尺寸和位置，利用小孔成像原理，使CCD传感器成像，通过对成像的计算和分析，来确定两个航天器之间的相对位置和相对姿态。这个过程一般分为三个部分，相机标定、图像处理和位姿解算。相机标定是用来获得相机的内部参数从而构筑相机模型；图像处理是通过对CCD传感器成像的计算和分析来得到光学特征点的像平面坐标；位姿解算是通过视觉原理根据光学特征点的像平面坐标和世界坐标解算出两个航天器之间的相对位置和相对姿态。在位姿测量的图像处理部分，有基于线目标特征和点目标特征的航天器间相对位置和相对姿态测量。在基于线目标特征的航天器间相对位置和相对姿态测量方法中，利用目标航天器上已知的框架结构作为特征物体，以它的边或棱作为特征进行提取，例如太阳帆的边，太阳帆与航天器连接的三角架，或者目标航天器上比较明显的棱。在基于点目标特征的航天器间相对位置和相对姿态测量方法中，利用目标航天器上已知的顶点作为特征点，或者在目标航天器上设置光学特征点或者角反射器作为特征点。利用3个不共线的特征点就能确定出探测器与被测目标间相对位置和相对姿态，但是解不唯一，需要根据经验，从多个解中进行选择，为保证解的唯一性，须要使3个不共线的特征点所成的平面与CCD相机的光轴方向不垂直。为了避免解的不唯一，可以增加特征点个数，在目标航天器上设置4个特征点。通过4个具有一定构型的特征点即可唯一的确定航天器间的相对位置和相对姿态(该问题称为P4P问题)。针对P4P问题，国内外专家学者作了大量研究。可是研究的前提都是在无干扰的理想情况下做的实验研究，在真实情况下，由于星空背景的干扰，CCD传感器产生的畸变，无论用哪种方法进行航天器间的相对测量，目标航天器上的特征点都不易于提取，特征点的提取可能会发生漏检，误检，因此也就无法准确得到航天器间的相对信息。2012年6月神舟九号飞船与天宫一号的交会对接任务，天宫一号作为目标航天器，它采用了一个中间为十字图案，外围为圆形包裹的复杂光学特征图案，来避免星空背景的干扰。但是，复杂光学特征图案增加了整个航天器能量消耗，增加了图像处理的难度和图像处理的时间，而且对于能源有限的微小卫星，较大能耗的光学特征点不适宜采用。因此设计一套简单易行的位姿测量特征点提取方法，具有很好的工程应用前景。
发明内容
本发明的目的是为了解决在目标特征点提取过程中星空背景产生的干扰问题以及目标航天器上光学特征点的能量消耗问题，而提出的一种基于目标特征构型的位姿测量特征点提取方法。本发明是通过下述技术解决方案实现的—种基于目标特征构型的位姿测量特征点提取方法，包括如下步骤步骤I，在目标航天器上设置构成菱形的四个低功耗发光二极管(LED灯)。步骤2，在航天器交会对接的逼近阶段，采用追踪航天器相机，采集复杂星空背景下的光学特征点图像，并经过自适应阈值二值化、平滑滤波后得到一幅二值图像，每个像素得值仅为O或I。
步骤3，通过搜索步骤2得到的图像中的平面菱形构型，求出航天器光学特征点的像平面坐标。具体的搜索方法如下步骤3. 1，将步骤2得到的图像上大小不一的光斑进行划分，每一个光斑属于一个单连通域，对图像区域中的光斑编号，并求出所有光斑质心坐标和光斑像素面积。步骤3. 2，从所求的光斑质心坐标中选取不同的四个点，所选四个点的光斑像素面积大小近似；判断是否构成菱形，如果构成菱形，则存储此四个点的坐标。步骤3. 3，由于安装在目标航天器上的光学特征点所包围的区域内不会有任何光斑，因此以步骤3. 2得到的构成菱形的四个点中距离最长的两个点为直径，做一个圆，若有除该菱形四点之外的其它光斑点落在这个圆内，则排除该组菱形构型。反之，则判定该组光斑坐标是目标航天器上的光学特征点的像平面坐标。步骤3. 4，重复步骤3. 2-步骤3. 3，直到得到一组目标航天器上的光学特征点的像平面坐标。有益效果I.采用小功率发光二极管作为光学特征点，可以减少目标航天器的能耗，不仅适用于航天器间的交会对接任务，而且还适用于微小卫星的编队飞行。2.采用圆形光学特征点，可以避免复杂的图像处理，减少图像处理的时间，提高实时性。3.采用基于几何构型的特征点提取方法，可以有效的去除星空背景的干扰，去除随机噪声，较易得到光学特征点的像平面坐标，结果稳定、可靠，方法易于实现，该发明具有较好的应用前景。
图I为具体实施方式
中任务板设计图，其中小孔为任务光标灯；图2为具体实施方式
中0K_AM1330相机和三轴转台；图3为具体实施方式
中采集的原图像；图4为具体实施方式
中经过二值化、平滑滤波的图像；图5为具体实施方式
中的搜索结果；图6为具体实施方式
中提取特征点流程图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的及优点，下面结合附图及实施例对本发明技术方案做进一步说明。为了模拟航天器交会对接的过程，采用任务板来模拟目标航天器，在任务板上安装12V/3W的LED灯，作为光学特征点，将任务板安装在三轴转台上，相机固定在三脚架上模拟追踪航天器的视觉系统，两个航天器间的相对运动由三轴转台的运动来实现。设计任务板LED灯构型，如图I所示，在6，7，8，9孔安装LED灯构成菱形，其相对于任务板的坐标为[200,70], [120，150]，[200，230]，[280，150](以任务板左上角为原点，向右为正X方向，向下为正y方向)，其它小孔作为干扰光源用。将任务板安装在如图2所示的三轴转台上，以模拟航天器之间的相对运动。本实例采用0K_AM1330黑白工业数字摄相机对任务板上的光标灯采集成像，获得一幅512X512的8位深度灰度图，如图3所示。图像二值化、平滑滤波。将上述所得的图像二值化，首先需要统计整 个图像的灰度分布，根据灰度直方图，一般会有两个峰值Vl和v2，较大灰度值对应的峰值为光斑，较小
y\ + j/2
灰度值对应的峰值为背景，以为界，能求出光斑点数占总图像像素数的比例wl，光
斑图像的平均灰度ul，背景点数占总图像像素数的比例《2，背景的平均灰度u2。总图像的平均灰度就为u = wlXul+w2Xu2。从最小的灰度值(O)到最大的灰度值(255)遍历，当g=wlX(ul-u)2+w2X (u2-u)2最大时，此刻的灰度值就为最佳阈值。该方法利用了方差的原理，因为方差是灰度分布均匀性的一个度量，图像两部分方差越大，则光斑被错分为背景的概率则越来越小。随机噪声和星体形成的较小光斑图像像素面积小于10个像素，设计7X7像素的均值滤波器对图像进行平滑滤波。均值滤波器是低通滤波器，它用滤波掩模确定的领域内像素的平均灰度值去代替图像每个像素点的值，一般的随机噪声都是由小型的“尖锐”变化组成，因此会被滤波器过滤掉，经过均值滤波后的图像如图4所示。接下来需要提取特征点，经过上述步骤的操作，每个单独光斑构成一个单连通域。对各个单连通域进行编号，即将同一个单连通域里的所有像素值变成跟编号相同的数值，便于后续操作。然后再按照编号次序利用质心公式求出各连通域的形心位置坐标，得到一组光斑坐标序列，再求出光斑面积。这些数据中包含任务光标灯的坐标以及背景星体的坐标，为了寻找到目标航天器上的光学特征点可以通过对所有光斑序列进行排列组合，从中任意抽取四个不同编号的光斑质心坐标，看是否满足搜索条件，如果满足的话就是目标光学特征点。搜索过程具体如下步骤1，从光斑编号中任意挑取四个不重复的光斑点，作为菱形四个角点。这四个点的像素面积近似相等，因为目标航天器上安装的是同样的LED灯，所以成像面积大小近似。步骤2，判断这四个点是否能构成菱形。判断的准则首先以第一个点为基点，求出其它三个点相对于这个点的矢量，判断是否有两个矢量的模近似相等，如果存在这两个矢量，则叠加这两个矢量跟第三个矢量作比较，如果相等，则这组数据保留下来。步骤3，剔除背景星体的坐标。在航天器交会对接的逼近段，通过其他手段测量方式，可以使目标航天器处在追踪航天器的视野里。因为LED灯安装在目标航天器上，由于目标航天器本体对星空背景的遮挡，所以整个构型当中不包含其他星体干扰。因此，我们判断保留下来的数据所确定的菱形区域当中是否含有其他星体坐标。如果没有，则这组数据就是目标航天器光学特征点的像平面坐标。搜索结果如图5所示，详细流程如图6所示。本实例提取结果如下表所示
权利要求
1.一种基于目标特征构型的位姿测量特征点提取方法，其特征在于包括如下步骤 步骤1，在目标航天器上设置构成菱形的四个低功耗发光二极管； 步骤2，在航天器交会对接的逼近阶段，采用追踪航天器相机，采集复杂星空背景下的光学特征点图像，并经过自适应阈值二值化、平滑滤波后得到一幅二值图像； 步骤3，通过搜索步骤2得到的图像中的平面菱形构型，求出航天器光学特征点的像平面坐标； 具体的搜索方法如下 步骤3. 1，将步骤2得到的图像上大小不一的光斑进行划分，每一个光斑属于一个单连通域，对图像区域中的光斑编号，并求出所有光斑质心坐标和光斑像素面积； 步骤3. 2，从所求的光斑质心坐标中选取不同的四个点，所选四个点的光斑像素面积大小近似；判断是否构成菱形，如果构成菱形，则存储此四个点的坐标； 步骤3. 3，由于安装在目标航天器上的光学特征点所包围的区域内不会有任何光斑，因此以步骤3. 2得到的构成菱形的四个点中距离最长的两个点为直径，做一个圆，若有除该菱形四点之外的其它光斑点落在这个圆内，则排除该组菱形构型；反之，则判定该组光斑坐标是目标航天器上的光学特征点的像平面坐标； 步骤3. 4，重复步骤3. 2-步骤3. 3，直到得到一组目标航天器上的光学特征点的像平面坐标。
2.根据权利要求I所述的一种基于目标特征构型的位姿测量特征点提取方法，其特征在于采用圆形光学特征点。
全文摘要
本发明涉及一种基于目标特征构型的位姿测量特征点提取方法，特别是在复杂星空背景下基于目标特征构型的特征点提取方法，属于交会对接技术领域。首先在目标航天器上设置构成菱形的四个低功耗发光二极管；在航天器交会对接的逼近阶段，采用追踪航天器相机，采集复杂星空背景下的光学特征点图像，并经过自适应阈值二值化、平滑滤波后得到一幅二值图像；通过搜索图像中的平面菱形构型，求出航天器光学特征点的像平面坐标。本方法可以有效的去除星空背景的干扰，去除随机噪声，较易得到光学特征点的像平面坐标，结果稳定、可靠，方法易于实现。
文档编号G06T7/00GK102915539SQ20121036421
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者张景瑞, 温凯, 翟光 申请人:北京理工大学