一种面向空间站机械臂的动态目标测量在轨光照评估方法，属于光电测量领域，解决了面向空间站机械臂的动态目标测量在轨光照评估问题。本发明专利技术方法依托机械臂自身携带的视觉测量系统，通过对可见光视觉相机的局部改进，一方面，通过快速、精准估计视觉相机拍摄的在轨图像中典型目标的发光亮度值，自动解算出相机主动光源物面照度的补偿信息，从而自适应调节视觉相机主动光源的照明策略，显著提升在轨图像质量的同时，有效增强机械臂视觉相机自身抵御光照干扰效应的鲁棒性和健壮性，为后续机械臂在轨任务或空间实验的顺利开展提供了可靠保障。保障。保障。
【技术实现步骤摘要】
一种面向空间站机械臂的动态目标测量在轨光照评估方法
[0001]本专利技术涉及一种面向空间站机械臂的动态目标测量在轨光照评估方法，尤其适用于空间服务类大型机械臂在轨面临恶劣光照环境时开展目标测量所需在轨光照信息的精确测算与补偿，属于光电测量领域。
技术介绍
[0002]空间站机械臂配置视觉测量系统主要用于对机械臂工作区域的视觉监控和合作目标三维位姿的准确估计，为机械臂精准操控提供必需的视觉图像和目标位姿等参考信息。然而，空间站机械臂在轨运行期间时常面临复杂多变光照环境的严峻考验。尽管视觉相机在设计阶段已经充分考虑了抗杂散光等干扰因素，但由于空间站机械臂具备舱外爬行功能，在轨复杂多变的光照环境将导致视觉相机光轴与太阳光入射方向之间的夹角呈现随机性，容易引发相机视场范围内的光照差异大、背景种类复杂、运动不连续、多目标遮挡等系列问题。尤其是，一旦视觉相机迎面遭遇高强度太阳光直射或太阳入射角骤变等恶劣环境时，视觉图像对比度将骤降或过曝，这无疑给机械臂在轨任务的可靠性提出了严峻挑战。
[0003]目前，服务于国际空间站的大型机械臂在轨运行期间主要面临着复杂、恶劣、多变的空间光照环境的严峻考验，NASA率先提出两项针对性解决措施：一是，为机械臂手眼相机配置主动光源；二是研发地面数字图像增强算法。前者由于主动光源缺乏自动调节功能，仅适用于部分光照条件，可能会损失一些细节信息，因此，无法兼顾各种极端光照工况；后者需要图像下传地面，由此带来了较大的时延，根本无法保证机械臂在轨任务的连续开展。因此，空间站机械臂如何有效克服复杂多变的空间光照效应是制约机械臂在轨环境适应性水平的关键性技术难题之一。
技术实现思路
[0004]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了面向空间站机械臂的动态目标测量在轨光照评估问题。
[0005]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：
[0006]一种面向空间站机械臂的动态目标测量在轨光照评估方法，可见光视觉相机具备单目与双目两种测量模式，光照评估方法包括：
[0007]确定合作目标图案；
[0008]可见光视觉相机主动光源照明器设置为关闭状态，获取图像并确定图像灰度信息，利用图像灰度信息进行目标检测与模式识别；根据目标检测与模式识别结果，确定图像中合作目标图案的视觉标记区域灰度DN差值；如果视觉标记区域灰度DN差值不低于设定阈值，则无需进行物面照度补偿；如果视觉标记区域灰度DN差值低于设定阈值，则打开可见光视觉相机主动光源照明器，重新获取视觉标记区域灰度DN差值，若重新获取的视觉标记区域灰度DN差值不低于设定阈值，则无需进行物面照度补偿，若仍低于设定阈值，则进行如下处理：
[0009]利用视觉标记区域灰度DN差值，确定相机像面照度；
[0010]利用相机像面照度，确定视觉标记表面发光亮度；
[0011]利用视觉标记表面发光亮度，确定左目图像物面照度补偿值、右目图像物面照度补偿值；
[0012]在左目图像物面照度补偿值、右目图像物面照度补偿值中，选取最大值，确定最终物面照度补偿值，并进一步确定光源照明功率。
[0013]优选的，所述合作目标图案同时满足如下条件：
[0014]图案包括各向同性的圆型标记点集；
[0015]在最远的观测距离处，图案中的标记点直径在相机图像中占据的像素数至少不低于相机的成像分辨力；
[0016]图案选用黑色与白色相搭配；
[0017]图案选用耐真空高低温的特殊漫反射材料制成；
[0018]图案满足旋转、平移、缩放唯一性；
[0019]在相机最近观测距离处所拍摄单幅图像中包含的异面标记点个数不应少于4。
[0020]优选的，采用单目测量模式获取Bayer图像后，经非线性插值后得到RGB彩色图像，再转换成YUV图像数据格式，其中的Y分量即为相机获取的图像灰度信息。
[0021]优选的，所述利用视觉标记区域灰度DN差值，确定相机像面照度包括：
[0022]利用视觉标记区域灰度DN差值，确定视觉标记区域灰度DN差值的统计均值，然后根据相机输出的图像量化位数，解算出相机图像探测器经光电转换后输出的图像灰度值，并进一步确定相机像面照度。
[0023]优选的，所述确定视觉标记表面发光亮度的方法为：
[0024][0025]式中，τ为相机光学系统透过率；D/f表示相机相对孔径，即F数的倒数，π为圆周率，E
image
为相机像面照度。
[0026]优选的，利用视觉标记表面发光亮度，根据可见光视觉相机主动光源照明器与合作目标的几何位置关系，确定左目图像物面照度补偿值、右目图像物面照度补偿值。
[0027]优选的，所述光源照明功率的确定方法为：
[0028][0029]式中，d为主动光源的照明距离，π为圆周率，θ为照明角度，K为光视效能，E
lamp
‑
left
为左目图像物面照度补偿值，E
lamp
‑
right
为右目图像物面照度补偿值，max为求二者中的最大值，光照均匀度为η。
[0030]优选的，采用单目或者双目测量模式获取图像并确定图像灰度信息。
[0031]一种面向空间站机械臂的动态目标位姿三维测量方法，采用上述的光照评估方法，进行光照评估后，进行如下处理：
[0032]根据目标检测与模式识别结果中的最优候选连通域子集，利用灰度加权质心法提
取合作目标图案中各标记特征点中心在图像中的二维坐标值；
[0033]确定可见光视觉相机的测量模式；
[0034]对于单目测量模式，基于二维成像平面与三维空间之间的物理映射关系，利用所述二维坐标值、相机内参标定数据，确定单目测量模式下的目标位姿数据初值；然后利用相机
‑
末端之间外参标定结果，确定目标
‑
末端三维位姿参数；
[0035]对于双目测量模式，重建三维坐标系后进行坐标转换，利用所述二维坐标值，确定双目测量模式下的三维位姿数据初值；然后利用相机
‑
末端之间外参标定结果，确定目标
‑
末端三维位姿参数。
[0036]优选的，对于单目测量模式，采用最小二乘法确定单目测量模式下的目标位姿数据初值；对于双目测量模式，采用奇异值分解法确定双目测量模式下的三维位姿数据初值。
[0037]本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：
[0038](1)本专利技术提供的合作目标图案设计原则能够有助于提升视觉图像对比度，且显著降低光照信息测算难度和计算量，提高光照估计的准确性和精度水平；
[0039](2)本专利技术提供的机械臂动态目标在轨光照评估方法能够实时、逆向解算出空间合作目标表面的发光亮度值及主动光源的物面照度补偿值，为相机主动光源自适应调节照明策略提供依据，显著改善在轨恶劣光照条件下的图像质量；
[0040](3)本专利技术提供的目标在轨光照评估方法能本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种面向空间站机械臂的动态目标测量在轨光照评估方法，其特征在于，可见光视觉相机具备单目与双目两种测量模式，光照评估方法包括：确定合作目标图案；可见光视觉相机主动光源照明器设置为关闭状态，获取图像并确定图像灰度信息，利用图像灰度信息进行目标检测与模式识别；根据目标检测与模式识别结果，确定图像中合作目标图案的视觉标记区域灰度DN差值；如果视觉标记区域灰度DN差值不低于设定阈值，则无需进行物面照度补偿；如果视觉标记区域灰度DN差值低于设定阈值，则打开可见光视觉相机主动光源照明器，重新获取视觉标记区域灰度DN差值，若重新获取的视觉标记区域灰度DN差值不低于设定阈值，则无需进行物面照度补偿，若仍低于设定阈值，则进行如下处理：利用视觉标记区域灰度DN差值，确定相机像面照度；利用相机像面照度，确定视觉标记表面发光亮度；利用视觉标记表面发光亮度，确定左目图像物面照度补偿值、右目图像物面照度补偿值；在左目图像物面照度补偿值、右目图像物面照度补偿值中，选取最大值，确定最终物面照度补偿值，并进一步确定光源照明功率。2.根据权利要求1所述的光照评估方法，其特征在于，所述合作目标图案同时满足如下条件：图案包括各向同性的圆型标记点集；在最远的观测距离处，图案中的标记点直径在相机图像中占据的像素数至少不低于相机的成像分辨力；图案选用黑色与白色相搭配；图案选用耐真空高低温的特殊漫反射材料制成；图案满足旋转、平移、缩放唯一性；在相机最近观测距离处所拍摄单幅图像中包含的异面标记点个数不应少于4。3.根据权利要求1所述的光照评估方法，其特征在于，采用单目测量模式获取Bayer图像后，经非线性插值后得到RGB彩色图像，再转换成YUV图像数据格式，其中的Y分量即为相机获取的图像灰度信息。4.根据权利要求1所述的光照评估方法，其特征在于，所述利用视觉标记区域灰度DN差值，确定相机像面照度包括：利用视觉标记区域灰度DN差值，确定视觉标记区域灰度DN差值的统计均值，然后根据相机输出的图像量化位数，解算出相机图像探测器经光电转换后输出的图像灰度值，并进一步确定相机像面照度。5.根据权利要求1所述的光照评估方法，其特征在于，所述确定视觉标记表面发光...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭启蒙，陈磊，李大明，侯作勋，王飞，杜晓东，梁常春，危清清，潘冬，王瑞，郭宇，孙沂昆，贾馨，王友渔，高升，熊明华，唐自新，周永辉，吴志红，邹大力，张昕蕊，马超，程刚，许哲，沈莹，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：
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