大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法技术

一种大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，其包括以下步骤：在所述非合作目标上选择一个矩形特征；通过两个相机对所述矩形特征的不同区域进行图像采集，获得包含所述矩形特征的第一、第二顶点的图像A和包含所述矩形特征的第三、第四顶点的图像B；对图像A、B分别进行图像处理，提取与所述矩形特征的边对应的直线；用提取到的所述直线计算所述第一至第四顶点的图像坐标；用所述第一至第四顶点的图像坐标计算其在各自相机坐标系下的三维坐标；坐标变换，将第一至第四顶点的三维坐标统一到同一坐标系下；用同一坐标系下第一至第四顶点的三维坐标求解所述矩形特征的位姿，作为所述非合作目标的位姿。该方法能够近距离准确测量非合作目标的位姿。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，属于空间机器人在轨服务
和计算机视觉领域。
技术介绍
位于地球静止轨道(GEO)的卫星，因其相对于地球表面始终是静止的，并且可覆盖约40％的地球面积，因此它在通讯、气象、导航等领域得到了广泛的应用。据统计，在全球每年发射的卫星中，约有2.5％的卫星未能正确入轨，然而在正确入轨的卫星中又有6％-8％由于机械故障等原因导致卫星失效(Sullivan B R,Akin D L.A survey of serviceable space-craft failures[R].Reston,VA,USA:AIAA,2001.)。这些失效的卫星不仅造成了巨大的经济损失，同时还占据了宝贵的GEO轨道资源。为了最大限度的降低因卫星故障或失效而造成的损失，各航天大国正在积极发展基于空间机器人的在轨服务技术。这项技术可对空间发生故障的航天器进行在轨修复和维护，而不是通过发射新的航天器来进行替代；通过对发生故障的航天器进行维护和载荷升级，可有效解决航天器的故障、延长其使用寿命、增强其系统能力。然而，对GEO轨道的航天器进行在轨服务是有很大难度的。由于发生故障的GEO航天器一般没有专门安装的用于测量的标志器、用于通信的星间链路和用于硬连接的对接接口，无法为在轨服务提供辅助的合作条件。所以这些类型的航天器被归类为“非合作目标”。实现与非合作目标从远距离跟踪接近直至近距离的停靠，是在轨服务得以实施的重要保障。然而GEO卫星的体积、重量、功耗通常会设计得较大，庞大的外形尺寸会给超近距离的相对测量带来很大的难度。当服务航天器接近到一定距离后，光学敏感器受视场角限制有可能无法观测到大尺寸目标卫星的全貌，甚至一些可识别的特征也超出了视场范围。因此本专利技术将对相关关键技术进行深入研究，提出一种基于双目协作视觉对超近距离下大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，以解决大尺寸非合作目标由于没有用于测量的标志器且体积庞大导致难以测量其位姿的技术问题。为达上述目的，本专利技术提供的方法是一种基于双目协作视觉对超近距离下大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，其基本构思是：根据调查已有大尺寸非合作目标的特点，选用矩形特征作为识别对象；利用两台相机协同测量大尺寸非合作目标的矩形特征，每台相机只拍摄矩形特征的部分区域，然后将两台相机的图像信息进行融合以得到整个矩形特征的信息；以及根据图像处理算法和相应的位置测量算法进而解算出非合作目标的相对位置和姿态。该方法不要求在大尺寸非合作目标上安装用于辅助测量的合作标志器，也无需知道大尺寸非合作目标的几何尺寸，而是直接以大尺寸非合作目标自身的部件作为识别对象。本专利技术具体的技术方案如下：一种大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，其包括以下步骤：在所述非合作目标上选择一个矩形特征；通过两个相机对所述矩形特征的不同区域进行图像采集，获得包含所述矩形特征的第一、第二顶点的图像A和包含所述矩形特征的第三、第四顶点的图像B；对图像A、B分别进行图像处理，提取与所述矩形特征的边对应的直线；用提取到的所述直线计算所述第一至第四顶点的图像坐标；用所述第一至第四顶点的图像坐标计算其在各自相机坐标系下的三维坐标；坐标变换，将第一至第四顶点的三维坐标统一到同一坐标系下；以及用同一坐标系下第一至第四顶点的三维坐标求解所述矩形特征的位姿，该位姿即为所述非合作目标的位姿。在上述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法中，优选地，对图像A、B进行的图像处理包括：用于减弱噪声及保留图像中微小锐利细节的图像滤波步骤；用于从滤波后的图像获取图像边沿信息的边沿检测步骤；用于从获取的边沿信息中提取直线的直线提取步骤；以及用于从提取的直线中识别与所述矩形特征的边对应的直线的识别步骤。在上述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法中，优选地，所述图像滤波步骤采用中值滤波算法，所述边沿检测步骤采用Canny算法，所述直线提取步骤采用霍夫变换。在上述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法中，优选地，所述识别步骤通过图像中的复数个参考点辅助识别与所述矩形特征的边对应的直线，其中一个参考点位于与所述矩形特征对应的矩形区域内，其余参考点位于所述矩形区域外，且所述矩形区域外的各个参考点与所述矩形区域内的参考点的连线对应与矩形的各边相交。在上述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法中，优选地，在第一帧图像的处理中，所述复数个参考点通过遥操作选定；在后序图像的处理中，所述复数个参考点根据前一帧图像中与矩形特征的边对应的直线和参考点的位置以及本帧图像中提取的直线确定。在上述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法中，优选地，所述非合作目标为故障卫星，所述矩形特征为故障卫星通讯天线背板上的矩形加强筋。在上述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法中，优选地，所述两个相机为光学相机，安装于服务航天器上，所述图像采集步骤在超近距离或停靠位置进行。在上述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法中，优选地，在提取与所述矩形特征的边对应的直线的步骤中，在图像A中提取到与所述矩形特征的第一边、第二边及第三边对应的三条直线，在图像B中提取到与所述矩形特征的第一边、第三边及第四边对应的另外三条直线，所述第一边和第三边平行，第二边和第四边平行；在计算所述第一至第四顶点的图像坐标的步骤中，用在图像A中提取到的所述三条直线的直线方程计算出它们的两个交点，将该两个交点的图像坐标作为矩形特征的第一和第二顶点的图像坐标；同样地，用在图像B中提取到的所述另外三条直线的直线方程计算出它们的两个交点从而得到矩形特征的第三和第四顶点的图像坐标。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：(1)采用自主识别非合作目标自身的矩形特征进行位姿的测量，无需在被测目标上安装合作标志器，也无需知道被测目标的几何尺寸；(2)采用双目相机协作方式，可以在超近距离直至停靠位置时，对非合作目标进行准确的位姿测量；(3)可以用于大尺寸非合作航天器位姿的测量；(4)所采用的设备为光学相机，其具有质量轻、体积小、功耗低等特点，可以很好的在空间任务中得到应用。附图说明图1为坐标系之间的关系示意图；图2为一实施例大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法的流程图；图3为模拟生成的图像A；图4为模拟生成的图像B；图5为图像B经过边沿检测的结果；图6为通过参考点识别矩形特征的边的结果；图7为通过矩形特征的边确定矩形特征本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：在所述非合作目标上选择一个矩形特征；通过两个相机对所述矩形特征的不同区域进行图像采集，获得包含所述矩形特征的第一、第二顶点的图像A和包含所述矩形特征的第三、第四顶点的图像B；对图像A、B分别进行图像处理，提取与所述矩形特征的边对应的直线；用提取到的所述直线计算所述第一至第四顶点的图像坐标；用所述第一至第四顶点的图像坐标计算其在各自相机坐标系下的三维坐标；坐标变换，将第一至第四顶点的三维坐标统一到同一坐标系下；以及用同一坐标系下第一至第四顶点的三维坐标求解所述矩形特征的位姿，该位姿即为所述非合作目标的位姿。

【技术特征摘要】
1.一种大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述非合作目标上选择一个矩形特征；
通过两个相机对所述矩形特征的不同区域进行图像采集，获得包含所述矩形特征的第
一、第二顶点的图像A和包含所述矩形特征的第三、第四顶点的图像B；
对图像A、B分别进行图像处理，提取与所述矩形特征的边对应的直线；
用提取到的所述直线计算所述第一至第四顶点的图像坐标；
用所述第一至第四顶点的图像坐标计算其在各自相机坐标系下的三维坐标；
坐标变换，将第一至第四顶点的三维坐标统一到同一坐标系下；以及
用同一坐标系下第一至第四顶点的三维坐标求解所述矩形特征的位姿，该位姿即为所述
非合作目标的位姿。
2.如权利要求1所述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，其特征在于，对图像
A、B进行的图像处理包括：
用于减弱噪声及保留图像中微小锐利细节的图像滤波步骤；
用于从滤波后的图像获取图像边沿信息的边沿检测步骤；
用于从获取的边沿信息中提取直线的直线提取步骤；以及
用于从提取的直线中识别与所述矩形特征的边对应的直线的识别步骤。
3.如权利要求2所述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，其特征在于，所述图
像滤波步骤采用中值滤波算法，所述边沿检测步骤采用Canny算法，所述直线提取步骤采用
霍夫变换。
4.如权利要求2所述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，其特征在于，所述识
别步骤通过图像中的复数个参考点辅助识别与所述矩形特征的边对应的直线，其中一个参考
点位于与所述矩形特...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁斌，杜晓东，何英，王学谦，刘厚德，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44