基于圆和线特征非合作目标相对位姿双目视觉测量方法技术

本发明专利技术属于非合作航天器相对导航系统设计领域，特别涉及一种基于圆和线特征非合作目标相对位姿双目视觉测量方法，包括以下步骤：通过图像处理算法和双目视觉特性，消除圆二义性；利用双目视觉下圆法向量和线平面法向量，定义特征提取误差的自适应系数；根据自适应系数和特征间的平行约束，测量目标翻滚角，并且提高姿态测量精度。本方法保障了复杂干扰环境对特征提取影响较大情况时仍然满足相对导航系统的测量精度，并且对翻滚角进行测量，具有较强的自适应能力和实现非合作目标六自由度相对位姿测量。相对位姿测量。相对位姿测量。

【技术实现步骤摘要】
基于圆和线特征非合作目标相对位姿双目视觉测量方法


[0001]本专利技术属于非合作航天器相对导航系统设计领域，特别涉及一种基于圆和线特征非合作目标相对位姿双目视觉测量方法。

技术介绍

[0002]目前，针对空间非合作目标的空间任务越来越受关注，例如在轨加注、在轨维护与装配等工作，非合作目标相对位姿的精确测量是保障空间任务正常进行的前提。空间非合作目标具有无法彼此通讯、无法安装人工靶标的特点，如何利用有限的测量实现非合作目标的相对位姿测量是航天器导航系统的一个关键技术。
[0003]在非合作目标导航任务中的接近段，通常可以利用喷嘴或者对接环等特征，实现对非合作目标的抓捕。而目前基于圆特征的位姿测量，由于圆的旋转不变性，导致此种测量方案的翻滚角姿态缺失，另外，受空间中光照、相对运动的影响，图像处理技术会存在一定的误差，从而导致位姿测量精度较差，这些往往会不利于空间非合作目标的抓捕任务实施。因此，如何利用非合作目标的有限结构信息和测量信息，实现对非合作目标六自由度位姿精确测量是当前航天器相对导航工程领域中亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]针对在实际的非合作目标导航的抓捕任务中，非合作目标相对位姿测量存在目标通信失效和缺乏人工靶标、翻滚角缺失与精度不足等问题，本专利技术提供了一种基于圆和线特征非合作目标相对位姿双目视觉测量方法，本方法考虑直线与圆特征平行约束和不同特征图像处理误差，设计了一种自适应系数下的位姿测量方法。本专利技术实现了基于圆姿态测量方法中缺失翻滚角的测量，同时提高了相对姿态的测量精度，保证了非合作目标抓捕的精确位姿测量任务。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于圆和线特征非合作目标相对位姿双目视觉测量方法，包括如下步骤：
[0006]S1：通过图像处理算法，提取非合作目标的圆特征和直线特征，得到圆特征成像后椭圆参数和直线特征参数；
[0007]S2：基于步骤S1中得到的椭圆参数，计算圆特征的圆心位置和圆法向量，然后利用双目视觉消除圆二义性，得到消除圆二义性后的圆法向量；
[0008]S3：基于步骤S1中得到的直线特征参数，求得直线与相机原点构成线平面的法向量，并且基于步骤S2中得到的消除圆二义性后的圆法向量，定义圆和线特征图像处理算法下误差的自适应系数；
[0009]S4：基于步骤S3定义的自适应系数以及非合作目标直线与圆平行的约束，实现非合作目标翻滚角姿态测量，同时对消除圆二义性后的圆法向量进行修正，提高非合作目标姿态测量精度。
[0010]进一步，步骤S1中得到的圆特征成像后椭圆参数为：
[0011]au2+bv2+cuv+du+ev+f＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0012]其中，[a,b,c,d,e,f]为椭圆方程参数，[u,v]为椭圆像素坐标；
[0013]直线特征方程为：
[0014][0015]其中，为直线对应的齐次坐标；k1，k2，k3为直线特征参数，且k1u+k2v+k3＝0等式成立。
[0016]进一步，步骤S2中利用双目视觉消除圆二义性具体过程为：
[0017]设定左目相机坐标系Σ
l
为O
l-X
l
Y
l
Z
l
，右目相机坐标系Σ
r
为O
r-X
r
Y
r
Z
r
，
[0018]采用双目视觉得到4个圆法向量和对应的4个圆心坐标计算4个圆法向量的夹角：
[0019][0020]其中，为左目相机坐标系Σ
l
下的圆法向量，为右目相机坐标系Σ
r
下的圆法向量，ψ1为圆法向量的夹角，ψ2为圆法向量为圆法向量的夹角，ψ3为圆法向量的夹角，ψ4为圆法向量的夹角；
[0021]找到4个夹角中最小的夹角，从而消除圆的二义性，定义消除圆二义性后的左目相机坐标系Σ
l
下的圆法向量为圆心坐标为右目相机坐标系Σ
r
下的圆法向量为圆心坐标为
[0022]将右目相机坐标系Σ
r
下的圆心坐标从右目相机坐标系Σ
r
转换到左目相机坐标系Σ
l
，得到非合作目标圆特征的圆心位置O
E
为：
[0023][0024]其中，
l
R
r
为双目视觉相对姿态矩阵，
l
t
r
为相对位置矩阵。
[0025]进一步，步骤S3具体过程如下：
[0026]计算两个圆法向量和的夹角ψ，并将其定义为圆图像处理算法的圆误差系数α：
[0027]α＝ψ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0028]定义非合作目标上有两条平行直线L1、L2，分别在双目中成像得到4个线平面法向量其中为左目相机坐标系Σ
l
下的线平面法向量，为右目相机坐标系Σ
r
下的线平面法向量，4个线平面法向量构成平面π0，推导得到平面π0的法向量
[0029][0030]定义β表示直线图像处理算法的直线误差系数：
[0031][0032]进一步，步骤S4具体过程如下：
[0033]直线L1的方向向量满足下列条件：
[0034][0035]其中，π1是直线L1与相机原点形成的线平面，定义π
Q
表示圆平面，根据L1//π
Q
得到：
[0036][0037]其中，n
E
为非合作目标圆特征的圆法向量，
[0038]直线L1的方向向量为：
[0039][0040]定义非合作目标坐标系Σ
T
为O
T-X
T
Y
T
Z
T
，其中Z
T
轴与圆法向方向重合，Y
T
轴与直线方向重合，X
T
轴满足右手法则，直线L1的方向向量平行于非合作目标坐标系Y
T
轴，因此，另外X
T
轴和Z
T
轴两个坐标轴的方向向量分别为：
[0041][0042]其中，分别为X
T
轴、Y
T
轴、Z
T
轴的方向向量，
[0043]则非合作目标的姿态矩阵为
[0044]本专利技术的有益效果：
[0045]1)本专利技术考虑了不同特征提取的误差，设计了相应的自适应系数对提取精度进行了定量描述；
[0046]2)本专利技术利用直线特征实现对翻滚角的测量，并且通过引用自适应系数提高了姿态的测量精度。
附图说明
[0047]图1为本专利技术实施例的基于圆和线特征非合作目标相对位姿双目视觉测量方法流程图；
[0048]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于圆和线特征非合作目标相对位姿双目视觉测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：通过图像处理算法，提取非合作目标的圆特征和直线特征，得到圆特征成像后椭圆参数和直线特征参数；S2：基于步骤S1中得到的椭圆参数，计算圆特征的圆心位置和圆法向量，然后利用双目视觉消除圆二义性，得到消除圆二义性后的圆法向量；S3：基于步骤S1中得到的直线特征参数，求得直线与相机原点构成线平面的法向量，并且基于步骤S2中得到的消除圆二义性后的圆法向量，定义圆和线特征图像处理算法下误差的自适应系数；S4：基于步骤S3定义的自适应系数以及非合作目标直线与圆平行的约束，实现非合作目标翻滚角姿态测量，同时对消除圆二义性后的圆法向量进行修正，提高非合作目标姿态测量精度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中得到的圆特征成像后椭圆参数为：au2+bv2+cuv+du+ev+f＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，[a,b,c,d,e,f]为椭圆方程参数，[u,v]为椭圆像素坐标；直线特征方程为：其中，为直线对应的齐次坐标；k1，k2，k3为直线特征参数，且k1u+k2v+k3＝0等式成立。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中利用双目视觉消除圆二义性具体过程为：设定左目相机坐标系Σ
l
为O
l-X
l
Y
l
Z
l
，右目相机坐标系Σ
r
为O
r-X
r
Y
r
Z
r
，采用双目视觉得到4个圆法向量和对应的4个圆心坐标计算4个圆法向量的夹角：其中，为左目相机坐标系Σ
l
下的圆法向量，为右目相机坐标系Σ
r
下的圆法向量，ψ1为圆法向量的夹角，ψ2为圆法向量为圆法向量的夹角，ψ3为圆法向量的夹角，ψ4为圆法向量的夹角；
找到4个夹角中最小的夹角，从而消除圆的二义性，定义消除圆二义性后的左目相机坐标系Σ
l
下的圆法向量为圆心坐标为右目相机坐标系Σ
r
下的圆法向量为圆心坐标为...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡庆雷，蒋催催，郑建英，郭雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：