一种全局特征与局部特征结合的视觉测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种视觉测量系统及测量方法，尤其适用于非合作卫星目标的位置和姿态计算。
【背景技术】
[0002]空间非合作卫星目标的接近和抓捕需要很高的稳定性和精确性，接近时需要工作距离较远的敏感器，抓捕时则需要超近距离工作的敏感器。传统的两种敏感器独立工作方式受非合作目标特征不稳定的影响，每个敏感器都不能提供高精度的测量值，同时也很难覆盖远近以及超近所有工作距离。
[0003]“非合作航天器的相对位姿测量”(光学精密工程，2009年7期)提出了基于立体视觉的位姿(位置和姿态)测量方法，为对非合作目标进行跟踪、接近提供测量数据支持，并提出了变焦相机的方法来扩大测量范围。但由于变焦相机的焦距值变化较大，对于测量相机的稳定性有很大影响，降低了测量的精度。
[0004]中国专利CN102538793A名称为一种双基线非合作目标双目测量系统采用长短基线双目相机分别覆盖所测量区域的远近距离范围，在不同距离下使用不同的双目相机来提供测量数据。由于每对双目相机的工作距离不同，独立工作时都受到目标特性的影响，两对双目相机输出的测量值的精度都较低。
[0005]中国专利CN102914262A名称为一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法，使用激光测距的方法来辅助双目视觉测量方式，提高双目视觉的精度。但在不同距离工作时，双目视觉受自身视场和焦距的影响，不能在所有距离上都输出高精度的测量数据。
[0006]空间非合作目标的接近和抓捕需要不同的工作距离下稳定精确的测量值，以上专利所述的方法都沿用多个敏感器独立工作的方法，很难覆盖所有工作距离的同时提供高精度的数据，不能满足非合作目标测量的需求。
【发明内容】
[0007]本发明的技术解决为问题是:克服现有技术的不足，提供一种全局特征与局部特征结合的视觉测量系统及测量方法，覆盖远近超近工作距离，实现高精度的面向非合作目标的视觉测量。
[0008]本发明的技术解决方案是:一种全局特征与局部特征结合的视觉测量系统，包括平台双目相机、机械臂、机械臂手眼相机、星载计算机。平台双目相机安装在卫星本体的固定位置上；机械臂手眼相机安装在机械臂前端，未展开时固定在卫星本体的固定位置上；机械臂根部安装在卫星本体的固定位置上。机械臂手眼相机后端粘贴漫反射合作目标标志点。星载计算机安装在卫星本体上，可以控制卫星本体自身的运动。星载计算机通过电子线路和平台双目相机、机械臂手眼相机相连接，同时星载计算机通过电子线路和机械臂相连，可以控制机械臂的运动。
[0009]所述的平台双目相机由左右两台相机组成；左右两台相机焦距18-25mm，视场30-60度(全视场)；左右两台相机相距0.6m-lm安装于一条基线上，左右相机内凑角为10-14 度。
[0010]所述机械臂手眼双目相机由左右两台相机组成；左右两台相机焦距8-10mm，视场80-100度(全视场)；左右两台相机相距0.25m-0.3m安装于一条基线上，左右相机内凑角为40-50度，并安装在机械臂前端。
[0011]—种全局特征与局部特征结合的视觉测量方法，其特征在于实现步骤如下:
[0012](I)对平台双目相机、机械臂、机械臂手眼相机的在相互坐标系下的位置进行标定，对机械臂手眼相机后端粘贴的合作目标标志点在机械臂手眼相机坐标系下的位置进行标定；
[0013](2)距离非合作卫星目标1.Sm以上(远距离)工作时，平台双目相机和机械臂手眼相机对非合作卫星目标的全局特征进行提取，传输给星载计算机进行姿态计算。星载计算机计算得到位置姿态数据后控制卫星本体向非合作卫星目标进行接近；
[0014](3)距离非合作卫星目标1.Sm到1.2m之间(近距离)，平台双目相机对非合作卫星目标的全局特征进行识别，同时机械臂手眼双目对非合作卫星目标的局部特征进行识另O，两者将识别结果传输给星载计算机；星载计算机计算得到位置姿态数据后控制卫星本体向非合作卫星目标进行接近；
[0015](4)距离非合作卫星目标1.2m到Om之间(超近距离)，机械臂手眼相机位于平台双目的视场内，平台双目相机对机械臂手眼相机后端的合作目标标志点进行识别，传输给星载计算机计算机械臂前端的位置姿态；同时机械臂将自身的控制信息传输到星载计算机；星载计算机将机械臂的数据和平台双目计算得到的数据作对比，对机械臂的各个关节运行做标定，提尚机械臂的精度和稳定度；
[0016](5)距离非合作卫星目标1.2m到Om之间，平台双目相机对非合作卫星目标的全局特征进行识别，将识别结果传输给星载计算机；星载计算机计算位置姿态后控制卫星本体在和非合作卫星目标保持位置和姿态；同时机械臂开始工作，伸展开来接近非合作卫星目标进行操作，机械臂手眼相机对非合作卫星目标的局部特征进行识别并传输给星载计算机；星载计算机计算得到相对位置姿态后控制机械臂运动对非合作卫星目标上的特定目标进行抓捕。
[0017]所述步骤(2)中的距离非合作卫星目标1.8m以上工作时，平台双目相机和机械臂手眼双目相机联合测量的精度达到距离误差小于实际距离的1%，角度误差I度以内。
[0018]所述步骤(3)距离非合作卫星目标1.Sm到1.2m之间工作时，平台双目相机和机械臂手眼双目相机联合测量的距离误差小于0.014m，角度误差0.5度以内。
[0019]所述步骤(4)距离非合作卫星目标1.2m到Om之间工作时，平台双目相机用于标定时测量误差小于0.002m。
[0020]所述步骤(4)中的合作目标标志点为漫反射标志点。
[0021]所述步骤(5)中的特征目标包括星箭对接环、喷管目标。
[0022]本发明与现有技术相比有益效果为:
[0023](I)本发明设计的测量系统和现有技术相比可以覆盖远近超近各个工作距离，稳定的输出测量信息。本发明使用的平台双目相机和机械臂手眼双目相机基线、视场和焦距不同，可以覆盖远近不同的工作距离。另外机械臂手眼相机位于机械臂前端，当机械臂展开时，机械臂手眼相机的活动范围增大，可以覆盖更多的工作距离。
[0024](2)平台双目和机械臂手眼双目两个敏感器协同工作，输出高精度的测量信息。在测量系统工作时，平台双目和手眼双目为彼此提供补充测量信息，而且由于两者的空间位置不变，计算时可以直接使用两个敏感器得到的信息，提高测量的精度和稳定性。
[0025](3)本发明可以在机械臂运行中对机械臂各个关节进行标定，提高了机械臂的精度。
[0026](4)本发明和现有技术相比可以对局部特征对称性强的目标进行识别。相对于其他单独工作的双目视觉系统，局部特征和全局特征结合的方式可以有效避免非合作卫星目标上对接环、喷管等圆形特征的对称性带来的歧义，消除测量数据的错误和误差。
【附图说明】
[0027]图1为本发明测量系统整体安装结构图；
[0028]图2为本发明中机械臂手眼双目合作目标标志点分布图。
【具体实施方式】
[0029]如图1所示，平台双目相机2安装在卫星本体I的固定位置上；机械臂手眼相机3安装在机械臂4前端，机械臂4未展开时机械臂手眼相机3固定在卫星本体的固定位置上；机械臂4根部安装在卫星本体I的固定位置上。机械臂手眼相机3后端粘贴漫反射合作目标标志点。星载计算机5安装在卫星本体I上，可以控制卫星本体I自身的运动。星载计算机5通过电子线路6、7和平台双目相机