基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统及方法，包括：目标图像预处理单元，用于去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域；目标快速特征检测及提取单元，用于完成局部轮廓和对接圆面特征的检测提取；目标位置和姿态估计单元，用于分别根据提取的对接圆面和轮廓特征完成目标位置和姿态粗值的估计，并采用优化算法实现最终目标位置和姿态的实时获取。本发明专利技术具有实时性好、鲁棒性强及测量精度高等优点，为后续空间在轨操控任务的顺利实施提供位姿信息支持。

【技术实现步骤摘要】
基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统及方法
本专利技术涉及一种基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统及方法，属于航天器相对测量

技术介绍
为了实现空间交会对接、抓取捕获等在轨操控任务，需要对追踪航天器与目标航天器之间的相对位置、姿态进行精确测量。现有技术中，针对不考虑目标前后帧图像变化关系，直接采用基于全局图像处理算法实现的目标特征提取，以及基于该算法提取的特征直接获取目标位姿信息的技术，算法易受目标图像较多边缘的干扰，导致特征提取效果差，需要实时对当前帧全局图像进行处理，处理速度慢，对获取的姿态值无进一步优化，姿态解算精度差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题：为克服现有技术不足，本专利技术提供一种基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计方法，解决了逼近过程中追踪航天器与目标航天器之间相对位置和姿态的估计，具有实时性好、鲁棒性强及测量精度高等优点，为后续空间在轨操控任务的顺利实施提供位姿信息支持。本专利技术的技术解决方案：基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统，包括目标图像预处理单元、目标快速特征检测及提取单元、目标位置和姿态估计单元，目标图像预处理单元去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域；目标快速特征检测及提取单元，用于完成局部轮廓特征和对接圆面特征的检测提取，首先对初始帧目标区域局部小窗边缘轮廓特征进行检测及提取，其次根据初始帧得到的目标轮廓信息，从第二帧开始，结合目标运动变化特性，利用前一帧图像的轮廓信息确定目标在当前帧图像中的位置，并基于当前窗口目标本体区域中的四方向条带状区域完成当前帧目标轮廓特征的检测及提取；最后根据当前帧目标轮廓确定的区域进行边缘检测，以较长圆弧边缘且与区域中心平均欧式距离最小为约束条件完成当前帧目标区域对接圆面特征的检测，并采用基于几何距离的最小二乘椭圆拟合算法完成对接圆面特征的提取；目标位置和姿态估计单元，用于分别根据提取的对接圆面和轮廓特征完成目标位置和姿态粗值的估计，并采用优化算法实现最终目标位置和姿态的实时获取，首先基于轮廓特征获得的特征点完成目标三个姿态的初值的解算，其次利用给定空间对接环的半径和相机内参，完成空间对接环法向量和圆心坐标的求解，并基于轮廓特征求解的目标法向量去除解的二义性，完成目标三个位置的初值的解算；最后以特征点的重投影误差为目标函数，优化位置和姿态初值，获得精确的相对位姿估计信息。目标图像预处理单元去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域的方法为：对实时获取的图像采用自适应阈值分割法确定目标的大致位置，完成图像背景噪声的去除；然后采用形态学先开后闭的运算方法优化目标定位粗值，完成目标所在局部区域的准确定位。对初始帧目标区域局部小窗边缘轮廓特征进行检测及提取的方法为：以目标预处理定位得到的目标局部区域图作为参考，框选一个略大于该区域的矩形区域作为轮廓检测的初始窗口，结合目标本体轮廓的四边形形状，选取该初始窗口目标本体区域中能够完全包含待提取轮廓边缘特征的四方向条带状区域完成初始帧目标轮廓的检测及提取。基于轮廓特征获得的特征点完成目标三个姿态的初值的解算的方法为：根据当前帧目标四边形轮廓特征得到四条轮廓线的交点，通过本体的两条对角线交点获得本体中心点，利用交比不变原理，在对角线上插值出N个特征点，N＝2n+1，其中n为轮廓边的条数，结合目标实际三维尺寸信息，完成目标三个姿态的初值的解算。基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计方法，具体步骤如下：(1)去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域；(2)以目标预处理定位得到的目标局部区域图作为参考，框选一个略大于该区域的矩形区域作为轮廓检测的初始窗口，结合目标本体轮廓的四边形形状，选取该初始窗口目标本体区域中能够完全包含待提取轮廓边缘特征的四方向条带状区域完成初始帧目标轮廓的检测及提取；(3)根据初始帧得到的目标轮廓信息，从第二帧开始，结合目标运动变化特性，利用前一帧图像的轮廓信息搜索估计确定目标在当前帧图像中的位置，并基于当前窗口目标本体区域中的四方向条带状区域完成当前帧目标轮廓特征的检测及提取；(4)根据当前帧目标轮廓确定的区域进行边缘检测，以较长圆弧边缘且与区域中心平均欧式距离最小为约束条件完成当前帧目标区域对接圆面特征的检测，并采用基于几何距离的最小二乘椭圆拟合算法完成对接圆面特征的提取；(5)根据步骤3获取的当前帧目标四边形轮廓特征得到四条轮廓线的交点，通过本体的两条对角线交点获得本体中心点，利用交比不变原理，在对角线上插值出N个特征点，N＝2n+1，其中n为轮廓边的条数，结合目标实际三维尺寸信息，完成目标三个姿态的初值的解算；(6)利用给定空间对接环的半径和相机内参，完成空间对接环法向量和圆心坐标的两组解的求解，并基于轮廓特征求解的目标法向量去除解的二义性，完成目标三个位置的初值的解算；(7)以特征点的重投影误差为目标函数，优化位置和姿态初值，获得精确的相对位姿估计信息。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)本专利技术解决了逼近过程中追踪航天器与目标航天器之间相对位置和姿态的估计，采用只全局处理初始帧图像，后续对包含目标的场景局部图像或图像序列进行局部处理，实现其余序列图像特征的连续检测及提取，具有实时性好的优点；(2)本专利技术采用结合帧间图像变化信息，利用前一帧图像的轮廓信息搜索估计确定目标在当前帧图像中的位置，具有鲁棒性强的优点；(3)本专利技术采用以特征点的重投影误差为目标函数的优化算法优化位置和姿态初值，具有测量精度高的优点，为后续空间在轨操控任务的顺利实施提供位姿信息支持。附图说明图1为本专利技术整体方案流程图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术通过对包含目标的场景局部图像或图像序列进行处理，结合帧间图像变化信息，快速提取被测目标的有效特征，获取空间目标实时位姿信息，并采用优化算法实时优化位姿估计结果，为后续的在轨操控任务中的控制部分提供精确测量结果。如图1所示，一种基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统及方法，包含：S1，目标图像预处理单元，用于去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域；S2，目标快速特征检测及提取单元，用于完成局部轮廓特征和对接圆面特征的检测提取；S3，目标位置和姿态估计单元，用于分别根据提取的对接圆面和轮廓特征完成目标位置和姿态粗值的估计，并采用优化算法实现最终目标位置和姿态的实时获取。所述的步骤S1，本专利技术提供一种目标图像预处理方法，该方法包含：(a)采用8邻域自适应阈值分割法完成初始帧图像的快速分割；其中所述的8邻域自适应阈值分割法是对每个图像像素确定以其自身为中心的一个8邻域窗口，寻找窗口内像素的最大值和最小值，并取二者的平均值作为阈值。令C为当前像素，选取C的8邻域窗口，若该窗口内像素的最大灰度值为max_value,最小灰度值为min_value，则阈值T设置为：(b)对分割图像进行二值化处理获得目标二值化图像；(c)对二值化图像依次进行形态学开和闭运算确定初始帧目标所在局部区域；其中所述的形态学开和闭运算都是由腐蚀和膨胀复合而成，开运算是先腐蚀后膨胀，而闭运算是先膨胀后腐蚀。使用结构元素S对A进行开运算，记作可表示为：其中所述的形态学开运算可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统，其特征在于，包括目标图像预处理单元、目标快速特征检测及提取单元、目标位置和姿态估计单元，目标图像预处理单元去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域；目标快速特征检测及提取单元，用于完成局部轮廓特征和对接圆面特征的检测提取，首先对初始帧目标区域局部小窗边缘轮廓特征进行检测及提取，其次根据初始帧得到的目标轮廓信息，从第二帧开始，结合目标运动变化特性，利用前一帧图像的轮廓信息确定目标在当前帧图像中的位置，并基于当前窗口目标本体区域中的四方向条带状区域完成当前帧目标轮廓特征的检测及提取；最后根据当前帧目标轮廓确定的区域进行边缘检测，以较长圆弧边缘且与区域中心平均欧式距离最小为约束条件完成当前帧目标区域对接圆面特征的检测，并采用基于几何距离的最小二乘椭圆拟合算法完成对接圆面特征的提取；目标位置和姿态估计单元，用于分别根据提取的对接圆面和轮廓特征完成目标位置和姿态粗值的估计，并采用优化算法实现最终目标位置和姿态的实时获取，首先基于轮廓特征获得的特征点完成目标三个姿态的初值的解算，其次利用给定空间对接环的半径和相机内参，完成空间对接环法向量和圆心坐标的求解，并基于轮廓特征求解的目标法向量去除解的二义性，完成目标三个位置的初值的解算；最后以特征点的重投影误差为目标函数，优化位置和姿态初值，获得精确的相对位姿估计信息。...

【技术特征摘要】
1.基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统，其特征在于，包括目标图像预处理单元、目标快速特征检测及提取单元、目标位置和姿态估计单元，目标图像预处理单元去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域；目标快速特征检测及提取单元，用于完成局部轮廓特征和对接圆面特征的检测提取，首先对初始帧目标区域局部小窗边缘轮廓特征进行检测及提取，其次根据初始帧得到的目标轮廓信息，从第二帧开始，结合目标运动变化特性，利用前一帧图像的轮廓信息确定目标在当前帧图像中的位置，并基于当前窗口目标本体区域中的四方向条带状区域完成当前帧目标轮廓特征的检测及提取；最后根据当前帧目标轮廓确定的区域进行边缘检测，以较长圆弧边缘且与区域中心平均欧式距离最小为约束条件完成当前帧目标区域对接圆面特征的检测，并采用基于几何距离的最小二乘椭圆拟合算法完成对接圆面特征的提取；目标位置和姿态估计单元，用于分别根据提取的对接圆面和轮廓特征完成目标位置和姿态粗值的估计，并采用优化算法实现最终目标位置和姿态的实时获取，首先基于轮廓特征获得的特征点完成目标三个姿态的初值的解算，其次利用给定空间对接环的半径和相机内参，完成空间对接环法向量和圆心坐标的求解，并基于轮廓特征求解的目标法向量去除解的二义性，完成目标三个位置的初值的解算；最后以特征点的重投影误差为目标函数，优化位置和姿态初值，获得精确的相对位姿估计信息。2.如权利要求1所述的基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统，其特征在于，目标图像预处理单元去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域的方法为：对实时获取的图像采用自适应阈值分割法确定目标的大致位置，完成图像背景噪声的去除；然后采用形态学先开后闭的运算方法优化目标定位粗值，完成目标所在局部区域的准确定位。3.如权利要求1所述的基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统，其特征在于，对初始帧目标区域局部小窗边缘轮廓特征进行检测及提取的方法为：以目标预处理定位得到的目标局部区域图作为参考，框选一个略大于该区域的矩形区域作为轮廓检测的初始窗口，结合目标本体轮廓的四边形形状，选取该初始窗口目标本体区域中能够完全包含待提取轮廓边缘特征的四方向条带状区域完成初始帧目标轮廓的检测及提取。4.如权利要求1所述的基于目标特征的单目视觉...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹姝清，卢山，刘宗明，张翰墨，范维斯，
申请(专利权)人：上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31