【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种空间自由飞行模拟器视觉精密定位方法,属于视觉测量
技术介绍
空间自由飞行模拟器是对卫星等航天器进行地面试验的特有装置,可以近似模拟出外太空环境下航天器微重力、零摩擦的空间活动,是一种全物理仿真验证方式,克服了数学仿真中对实物部件精确建模困难的问题,对于验证航天器控制方式以及实际性能有着十分重要的意义。对空间自由飞行模拟器进行快速而精确地定位是调整其轨道和姿态的重要前提,但由于试验的特殊性,空间自由飞行模拟器不能与地面设备有任何的物理连接,因此其位置及姿态信息都需要通过非接触的方式获得。传统非接触测量系统通过综合配置激光、超声波、雷达和角度传感器等装置来获得位姿信息,会带来资源浪费、成本高、配置过程复杂的技术问题。视觉测量技术作为一种非接触式测量方法,具有实时性好、数据采集和处理自动化程度高等特点。单目非接触位姿测量方式是视觉测量技术的一个重要分支,仅需一台相机或视觉传感器采集单张图像即可完成目标物体的精密定位,具有结构简单、成本低、相机标定简单、实时性强等优点,为空间自由飞行模拟器视觉精密定位提供了一种有效的方法。参考文献“五自由度气浮台姿态的计算机视觉辅助确定”,许剑,杨庆俊,包钢,李军.[J].四川大学学报(工程科学版),2009,04:220-226.该方法在空间自由飞行模拟器的台面上固定位置安放红、绿颜色定位LED灯,通过摄像头实时采集空间自由飞行模拟器的运动图像,由图像处理算法依次计算出红、绿两个LED灯中心在计算机图像坐标系的坐标,进而计算出空间自由飞行模拟器的平动位移以及空间自由飞行模拟器的绕Z轴的转角。其中,经 ...
【技术保护点】
一种空间自由飞行模拟器视觉精密定位方法,其特征是,包括以下步骤:步骤一,空间自由飞行模拟器设置工作平台上,摄像机固定于工作平台的正上方,摄像机与上位机相连接;步骤二,设计应用于空间自由飞行模拟器定位的合作靶标,并将合作靶标置于空间自由飞行模拟器的合适位置;步骤三,合作靶标识别与处理:由上位机控制摄像机拍摄获取安装合作靶标的空间自由飞行模拟器的图像,通过数字图像处理技术对合作靶标进行圆形目标的圆心提取,获得圆心在图像坐标系中的坐标;步骤四,空间自由飞行模拟器的实际位姿确定:由步骤三中获得的圆心在图像坐标系中的坐标,根据已知的合作靶标相对于空间自由飞行模拟器的安装位置,结合各坐标系之间的对应关系,确定空间自由飞行模拟器的实际位姿,实现对空间自由飞行模拟器的定位。
【技术特征摘要】
1.一种空间自由飞行模拟器视觉精密定位方法,其特征是,包括以下步骤:步骤一,空间自由飞行模拟器设置工作平台上,摄像机固定于工作平台的正上方,摄像机与上位机相连接;步骤二,设计应用于空间自由飞行模拟器定位的合作靶标,并将合作靶标置于空间自由飞行模拟器的合适位置;步骤三,合作靶标识别与处理:由上位机控制摄像机拍摄获取安装合作靶标的空间自由飞行模拟器的图像,通过数字图像处理技术对合作靶标进行圆形目标的圆心提取,获得圆心在图像坐标系中的坐标;步骤四,空间自由飞行模拟器的实际位姿确定:由步骤三中获得的圆心在图像坐标系中的坐标,根据已知的合作靶标相对于空间自由飞行模拟器的安装位置,结合各坐标系之间的对应关系,确定空间自由飞行模拟器的实际位姿,实现对空间自由飞行模拟器的定位。2.根据权利要求1所述的一种空间自由飞行模拟器视觉精密定位方法,其特征在于,所述步骤二中合作靶标是黑色圆盘,其上面分布三个半径不同白色实心圆形目标A、B、C,圆心连线AC与AB垂直,A、B、C的圆心构成等腰直角三角形;圆A的圆心位于整个黑色圆盘中心,在空间自由飞行模拟器上粘贴设计的合作靶标,使得合作靶标中心点与空间自由飞行模拟器中心点重合,则圆A的圆心坐标(aA,bA)即为空间自由飞行模拟器的中心坐标(x,y)。3.根据权利要求1所述的一种空间自由飞行模拟器视觉精密定位方法,其特征在于,所述步骤三的合作靶标识别与处理包括以下几步:第一步,图像预处理;针对获取的安装合作靶标的空间自由飞行模拟器的图像,通过高斯平滑模板进行图像去噪处理,由OTSU算法进行阈值分割获得二值化图像BW;第二步,白色实心圆形目标的识别;提取二值化图像BW中的八连通区域,根据连通区域的大小、宽高比和距离,逐步去除背景中无效连通区域,从而确定圆形目标的连通区域Hn,连通区域数量为n;第三步,圆心与半径的求取;1)对第n个连通区域Hn内图像进行保留,Hn外图像像素值均变为0,得到保留Hn的二值图像BWn;2)对上步所获得的二值图像BWn进行逐行扫描与逐列扫描,统计每一行中像素值为1的像素数量mi并保存于矩阵M中,统计每一列中像素值为1的像素数量nj并保存于矩阵N中;3)定义图像坐标系原点位于图像左上角,横轴为x轴,纵轴为y轴;圆形特征中心点坐标为(a,b),半径为r,圆形轮廓像素坐标(i,j),以上三组参数满足公式(1),(i-a)2+(j-b)2=r2 (1);对连通区域进行逐行扫描时,第i行中第一个像素值为1的像素点坐标为(ci_1,jt),最后一个像素值为1的像素点坐标为(ci_t,jt),将此两点带入方程(1),得到: ( c i _ 1 - a ) 2 + ( j t - b ) 2 = r 2 ( c i _ t - a ) 2 + ( j t - b ) 2 = r 2 - - - ( 2 ) ]]>ci_1、ci_t与mi关系满足:mi=ci_t-ci_1 (3)与式(2)联立得到像素数量mi与圆心坐标和半径的关系为: m i = 2 r 2 - ( j t - b ) 2 - - - ( 4 ) ]]>等式两侧同时平方得: m i 2 = 4 r 2 - 4 ( j t - b ) 2 - - - ( 5 ) ]]>令绘制出Mi曲线,Mi与jt的关系呈现抛物线形状,结合式(5),因此可设Mi关于jt的回归方程为 M ~ i = c 0 + c 1 j t + c 2 j t 2 - - - ( 6 ) ]]>利用最小二乘法求解未知参数c0,c1,c2的估计值,为此,作离差平方和 S = Σ t = 1 k ( M ~ i - c 0 - c 1 j t - c 2 j t 2 ) 2 - - - ( 7 ) ]]>令 ∂ S ∂ c 0 = - 2 Σ t = 1 k ( M ~ i - c 0 - c 1 j t - c 2 j t 2 ) = 0 ∂ S ∂ c 1 = - 2 Σ t = 1 k ( M ~ i - c 0 - c 1 j t - c 2 j t 2 ) j t = 0 ∂ S ∂ c 2 = - 2 Σ t = 1 k ( M ~ i - c 0 - c 1 j t - c 2 j t 2 ) j t 2 = 0 - - - ( 8 ) ]]>整理得正规方程组为: nc 0 + ( Σ t = 1 k j t ) c 1 + ( Σ t = 1 k j t 2 ) c 2 = Σ t = 1 ...
【专利技术属性】
技术研发人员:顾营迎,刘宇航,高瞻宇,徐振邦,吴清文,刘宏伟,
申请(专利权)人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,
类型:发明
国别省市:吉林;22
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