一种基于立体视觉的星箭对接环局部环段识别与测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于立体视觉的星箭对接环局部环段识别与测量方法：(1)、采用双目立体视觉相机对星箭对接环进行测量，获取左、右两个相机拍摄的星箭对接环的图像；(2)、将左、右两个相机拍摄的星箭对接环的图像中的星箭对接环区域与背景环境分割开来；(3)、在仅包含星箭对接环区域的图像中提取星箭对接环轮廓；(4)、针对对接环上的螺孔特征，进行特征识别，从对接环中将螺孔分割识别出来；(5)、提取投影后的左右相机图像中对接环局部环段同名点和螺孔同名点，采用双目三维重建方法建立对接环局部环段点三维坐标和螺孔点的三维坐标；(6)、建立对接环局部环段坐标系，采用双矢量定姿方法，确定对接环局部环段与相机之间的相对位置和姿态关系。

【技术实现步骤摘要】
一种基于立体视觉的星箭对接环局部环段识别与测量方法
本专利技术涉及机器人视觉测量
，尤其涉及一种基于立体视觉的星箭对接环局部环段识别与测量方法，适用于对空间故障卫星、大型碎片等空间非合作目标的抓捕操作。
技术介绍
空间机器人对非合作目标的抓捕操作，需要识别非合作目标的特定部位，这些特定部位适合空间机器人携带的机械臂来进行抓捕，例如星箭对接环等。要实现对空间机器人对卫星星箭对接环抓捕，首先需要获得星箭对接环的相对运动状态，例如相对位置、相对姿态等信息，这需要采用视觉测量方式来提取卫星特定部位的纹理特征，通过对特征识别来实现对特定部位的状态测量。目前，特定部位相对测量方式主要采用单目视觉的测量方式，该方式直接获取目标的三维位置信息，需要结合其他辅助手段，在实际应用中会受到限制。
技术实现思路
本专利技术所解决的问题是：克服现有技术不足，提供了一种基于立体视觉的星箭对接环局部环段识别与测量方法，该方法通过图像识别非合作目标表面螺孔，并测量星箭对接环局部环段与空间机械臂之间的相互位置和姿态关系，来引导空间机械臂实现对非合作目标操作部件的抓捕。本专利技术的技术解决方案是：一种基于立体视觉的星箭对接环局部环段识别与测量方法，该方法包括如下步骤：(1)、采用双目立体视觉相机对星箭对接环进行测量，获取左、右两个相机拍摄的星箭对接环的图像，所述左、右两个相机呈一定内凑角对称安装；(2)、将左、右两个相机拍摄的星箭对接环的图像中的星箭对接环区域与背景环境分割开来，获取仅包含星箭对接环区域的图像；(3)、在步骤(2)获得的左、右两个相机拍摄的仅包含星箭对接环区域的图像中提取星箭对接环轮廓；(4)、针对对接环上的螺孔特征，进行特征识别，从对接环中将螺孔分割识别出来；(5)、将双目相机图像进行等效平行投影，采用极线对准的方法，提取投影后对接环局部环段轮廓上的特征点和螺孔点在的左右相机图像中对接环局部环段同名点和螺孔同名点，采用双目三维重建方法得到对接环局部环段轮廓上的特征点和螺孔点在双目相机坐标系下的三维坐标；(6)、建立对接环局部环段坐标系，采用双矢量定姿方法，确定对接环局部环段与相机之间的相对位置和姿态关系。所述步骤(2)采用灰度阈值方法分割星箭对接环区域与背景环境，灰度阈值方法的具体步骤是将所有灰度值小于或大于某一阈值的象素均归属于目标,而灰度值大于等于或小于等于该阈值的象素组成背景。所述步骤(2)提取星箭对接环轮廓的具体方法为：(3.1)、对左、右两个相机拍摄的仅包含星箭对接环区域的图像进行图像平滑滤波，滤除图像中的噪声；(3.2)、采用双阈值Canny边缘提取方法获得的星箭对接环边缘点；(3.3)、对星箭对接环边缘进行拟合，得到星箭对接环轮廓。所述双目立体视觉相机为最大分辨率达到1024×1024的双目黑白相机。内凑角的取值范围为[10°，15°]。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)、本专利技术通过对星箭对接环局部环段的螺钉定位，精确识别星箭对接环局部环段，使机械臂能够完成对星箭对接环局部部位的抓捕；(2)、本专利技术采用“canny算子+同名点匹配”目标识别方法，能够对目标局部区域细小特征进行精确识别；(3)、本专利技术设计了基于螺孔同名点匹配的方法实现对星箭对接环局部环段的螺钉定位，定位精准快速。附图说明图1为本专利技术基于立体视觉的星箭对接环局部环段识别与测量方法流程图；图2为本专利技术实施例星箭对接环边缘提取图像；图3为本专利技术实施例星箭对接环内螺孔提取图像；图4为本专利技术实施例星箭对接环局部环段内螺孔孔位识别和坐标系建立图像。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明：专利技术提供的基于立体视觉的星箭对接环局部环段识别与测量方法主要包括以下步骤：图像畸变去除、背景阈值分割、canny边缘提取、螺孔特征识别、双目三维重建与位姿解算。如图1所示，该方法的具体步骤如下：(1)、采用双目立体视觉相机对星箭对接环进行测量，获取左、右两个相机拍摄的星箭对接环的图像，所述左、右两个相机呈一定内凑角对称安装，所述内凑角的取值范围为[10°，15°]。为了获取推力器的完整图像，选取了最大分辨率1024×1024的双目黑白相机，采用相机标定方法标定出双目相机的内参数和外参数，并对相机进行了失真修复，消除相机畸变和光心偏移对成像造成的影响。本实施例中，双目相机系统由两个Delsa工业相机组成，相机像素大小为2048×2048，像元尺寸为5.5um，镜头选择KOWA工业镜头，焦距为15mm，双目相机内凑角15°。(2)、将左、右两个相机拍摄的星箭对接环的图像中的星箭对接环区域与背景环境分割开来，获取仅包含星箭对接环区域的图像，缩小目标特征提取和识别范围，降低识别难度；采用灰度阈值方法分割星箭对接环区域与背景环境具体步骤是将所有灰度值小于或大于某一阈值的象素均归属于目标,而灰度值大于等于或小于等于该阈值的象素组成背景。设输入图像信号为f(m,n),输出信号为g(m,n),则二者之间存在下列关系:其中I1和I2为两任意值,但是I1≠I2(通常取I1＝0及I2＝1),而S为所取的光强门限值(即阈值)。通过选取适当的S值,将图像分割成I1值像素代表的目标物和I2值像素代表的背景。(3)、在步骤(2)获得的左、右两个相机拍摄的仅包含星箭对接环区域的图像中提取星箭对接环轮廓；具体方法为：(3.1)、对左、右两个相机拍摄的仅包含星箭对接环区域的图像进行图像平滑滤波，滤除图像中的噪声；在通过阈值分割将星箭对接环区域分割出来后，由于相机拍摄目标图像带有噪声，导致目标图像灰度分布较为跳跃不连续，不利于后续的边缘提取和特征识别算法的实现，因此需要对目标图像进行平滑处理，通常采用高斯滤波器进行图像平滑，消除图像采集过程中的噪点影响，采用canny算子来提取目标边缘。高斯滤波器是一类根据高斯函数的形状来选择权值的线性平滑滤波器.高斯平滑滤波器对去除服从正态分布的噪声是很有效的.一维零均值高斯函数为：其中，高斯分布参数σ决定了高斯滤波器的宽度.对图像处理来说，常用二维零均值离散高斯函数作平滑滤波器.这种函数表达式为：设px(i,j)和py(i,j)分别为x和y方向上的一阶偏导数，此时，像素的梯度幅值和方向分别为：θ(i,j)＝arctan(Px(i,j)/Py(i,j))(3.2)、采用双阈值Canny边缘提取方法获得的星箭对接环边缘点；本步骤对梯度幅值应用非极大值抑制，其过程为找出图像梯度中的局部极大值点，把其他非局部极大值点置零以得到细化的边缘。对经过非极大值抑制处理后的图像进行双阈值化处理，消除虚假边缘并连接断续边缘。即通过给定的高阈值系数和图像的直方图来计算高阈值(第一阈值)，然后，通过给定的低阈值系数来计算低阈值(第二阈值)。再用高阈值(第一阈值)与经过非极大值抑制后的图像进行比较，非极大值抑制后的图像中，选取高于高阈值(第一阈值)的点，记为准边缘点，对所有的准边缘点，在8邻域(某个像素点周围的8个像素点)内迭代寻找大于低阈值(第二阈值)的点，并标记为边缘点。(3)、根据星箭对接环边缘成椭圆构型的特点，对星箭对接环边缘进行拟合，得到星箭对接环轮廓。如图2所示，从图中可以看出，白色线标注了星箭对接环的轮廓，星箭对接环轮廓提取可以用于计算星箭对接环中心点的三维坐标和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于立体视觉的星箭对接环局部环段识别与测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、采用双目立体视觉相机对星箭对接环进行测量，获取左、右两个相机拍摄的星箭对接环的图像，所述左、右两个相机呈一定内凑角对称安装；(2)、将左、右两个相机拍摄的星箭对接环的图像中的星箭对接环区域与背景环境分割开来，获取仅包含星箭对接环区域的图像；(3)、在步骤(2)获得的左、右两个相机拍摄的仅包含星箭对接环区域的图像中提取星箭对接环轮廓；(4)、针对对接环上的螺孔特征，进行特征识别，从对接环中将螺孔分割识别出来；(5)、将双目相机图像进行等效平行投影，采用极线对准的方法，提取投影后对接环局部环段轮廓上的特征点和螺孔点在的左右相机图像中对接环局部环段同名点和螺孔同名点，采用双目三维重建方法得到对接环局部环段轮廓上的特征点和螺孔点在双目相机坐标系下的三维坐标；(6)、建立对接环局部环段坐标系，采用双矢量定姿方法，确定对接环局部环段与相机之间的相对位置和姿态关系。

【技术特征摘要】
1.一种基于立体视觉的星箭对接环局部环段识别与测量方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、采用双目立体视觉相机对星箭对接环进行测量，获取左、右两个相机拍摄的星箭对接环的图像，所述左、右两个相机呈一定内凑角对称安装；(2)、将左、右两个相机拍摄的星箭对接环的图像中的星箭对接环区域与背景环境分割开来，获取仅包含星箭对接环区域的图像；(3)、在步骤(2)获得的左、右两个相机拍摄的仅包含星箭对接环区域的图像中提取星箭对接环轮廓；(4)、针对对接环上的螺孔特征，进行特征识别，从对接环中将螺孔分割识别出来；(5)、将双目相机图像进行等效平行投影，采用极线对准的方法，提取投影后对接环局部环段轮廓上的特征点和螺孔点在的左右相机图像中对接环局部环段同名点和螺孔同名点，采用双目三维重建方法得到对接环局部环段轮廓上的特征点和螺孔点在双目相机坐标系下的三维坐标；(6)、建立对接环局部环段坐标系，采用双矢量定姿方法，确定对接环局部环段与相机之间的相对位置和姿态关系。2.根据权利要求1所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡海东，袁建平，魏春岭，毛晓艳，何英姿，王大轶，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11