一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法技术

一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法，由两个不同原理的测量方式组合而成，一是双目视觉测量方式，这是目标相对位置和相对姿态的6个自由度参数的主要测量手段，另一个是激光测距方式，主要是由激光测距仪提供一个打在目标表面上的激光光束亮斑，然后获取亮斑到激光测距仪坐标系的Z坐标。由于在相对较远距离处激光测距仪的测量精度远远高于双目视觉测量，因此可用激光测距仪的微小误差测量的Z坐标校正由双目视觉测量得到的Z坐标。再由双目视觉测量中三个位置坐标之间的关联性，进行X、Y坐标校正，使得视觉测量得到的任意特征点的三个位置坐标都得到校正，从而提高了双目视觉测量的精度，尤其是提高了远距离处目标特征点的测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可对非合作目标的相对位置和相对姿态进行6自由度精确测量的方法。
技术介绍
航天器自主交会对接任务中，对接前的几十米距离范围内，目前国际上都是借助于光学成像敏感器进行目标相对位置和姿态的测量。因此需要在目标航天器上安装标志灯或者反射器，在交会航天器上安装测量设备对其测量，通过建立目标坐标系和测量坐标系，经过标定确立它们之间的相对位置和姿态关系，以及标志点位置和各个坐标系之间的关系，再经由标志点像的提取与分布计算得出目标相对于测量坐标系的6个自由度运动参 数。为了使测量系统覆盖几十米到亚米的测量范围，目前航天领域的测量技术限于对合作目标的测量，采用主动目标发生器或者被动角反射器作为合作目标，采用单目相机即可完成目标相对6个自由度的位置测量。然而，对于非合作目标，其上没有任何事先安装的标志，若要完成前述的交会对接，就不能采用某种空间分布的标志灯或者反射器之类的已知测量对象作为参考目标。对于非合作目标进行交会对接测量，为了使测量系统覆盖几十米到亚米的测量范围，目前航天在该
仍在探索之中，没有很成熟的技术。利用双目视觉测量目标特征点相对位置的原理是成熟的，如2003年4月徐刚锋在Vol. 32,No. 2 “红外与激光工程”中发表的文章“基于双目视觉模型的运动参数测量”中，提到双目测量点目标模型，推导了误差分析公式，可见双目视觉测量的误差是由模型带来的固有误差，随着距离的增加呈平方增长关系，因此双目视觉测量基线一定的情况下，测量精度随距离迅速下降，导致双目视觉的有效作用距离受到很大限制，不能测量远距离目标。如何降低测量误差，打破双目测量误差模型中误差随距离平方增加的限制，使得远近距离的目标点测量误差都在较小的水平是双目系统扩展应用的关键问题。对于这个问题目前国内外尚无实质性的突破。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供了一种基于附加视距的双目测量方法，可以在线标定视距，从而校正立体视觉计算出的位置坐标，提高测量的精度，同时可以改善测量点的跟踪稳定性。本专利技术的技术解决方案是，步骤如下(I)在距离非合作目标一定距离的交会航天器的同一方向上安装至少一套双目视觉相机对和一个激光测距仪，其中激光测距仪位于双目视觉相机对的中间位置，激光测距仪的激光束出射方向处于双目视觉相机对光轴平面内两个相机光轴的夹角平分线上；(2)利用标靶对双目视觉相机对和激光测距仪进行标定，获得激光测距仪测量坐标系和双目视觉相机对中任意一个视觉相机测量坐标系的转换关系；(3)激光测距仪发出激光束至非合作目标，在非合作目标上形成光斑，获取激光测距仪与非合作目标之间的距离，同时利用双目视觉相机对同时对所述光斑进行成像，获取光斑在视觉相机测量坐标系中的三维坐标；(4)利用获取的激光测距仪与非合作目标之间的距离以及步骤(2)得到的转换关系，首先对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标中距离向的坐标进行修正，然后对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标中的其余两个方向的坐标进行修正；(5)获取非合作目标的6自由度测量量，其中三个位置坐标为步骤(4)修正的结果，三个姿态为基于三个位置修正结果的双目视觉相机对的姿态计算结果。所述步骤(4)中对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标进行修正的方法为利用双目视觉相机测量激光测距仪发出的激光点的距离，并与激光测距仪输出的距离进行比较，得到距离向的校正量，然后利用距离向的校正量对其余两个方向进行校正，对于双目视 觉相机对与激光光斑同时获取的其它特征点位置也采用激光光斑距离向校正量进行校正；或者采用拟合的方式，在地面进行所需范围的各距离向位置对于双目视觉测量相机的测量误差进行第一次曲线拟合，然后对第一次曲线拟合的残差再次进行拟合，完成对三维坐标的校正；或者采用拟合的方式，在空间由远及近的过程中对距离进行分段，逐步获得各段的距离数据，分段进行误差拟合，完成对三维坐标的校正。本专利技术与现有技术相比的优点在于本专利技术方法以精确的激光测距仪距离向位置测量值修正双目视觉测量系统对于距离向的测量值，突破了传统双目视觉测量系统对于目标点位置测量误差的距离平方增长规律，并利用距离向测量值与垂直距离向测量值之间的代数关系，使测程内远近距离的三个坐标方向位置测量误差值均衡，并得到大幅度降低，提高了全程测量精度。本专利技术方法不需要像标志灯和反射器之类的合作测量目标作为辅助设备，可以降低交会对接的条件，适合于与完全未知的目标交会对接抓捕，但当存在合作测量目标时本专利技术方法仍然可行，在超近距离可采用一对双目相机组成的视觉测量系统进行未知目标特征识别与三位坐标确定，进而进行三维相对姿态的测量确定。附图说明图I为本专利技术方法的原理图；图2为本专利技术方法的流程图；图3为本专利技术方法中利用激光测距仪对双目视觉测量系统的误差进行校正的原理图；图4为双目成像误差分析原理图；图5为本专利技术实施例中双目测量误差数据的拟合曲线；图6为本专利技术实施例中宽基线误差比较图；图7为本专利技术实施例中宽基线校正结果。具体实施例方式如图I所示，为本专利技术方法的原理图，图中示出了两组双目视觉相机对，在实现本专利技术的方法时，仅需要一组双目视觉相机对即可，但是为了提高测量的精度，可以选用两组甚至多组双目视觉相机对(按照具体分段进行使用、测量)，每一组双目视觉相机对均独立作为测量元件(即每一组双目视觉相机对之间并无联系)，以下方法叙述中也仅以一组双目视觉相机对为例进行说明。双目视觉相机对朝向目标安装，光轴间使之保持一定夹角，夹角大小确定主要从满足双目交叉视场、测量距离范围、目标大小等要求确定。激光测距仪位于双目视觉相机对中间位置安装，激光束出射方向处于双目视觉相机对光轴平面内两个相机光轴的夹角平分线上,误差不大于其夹角的1/10。除此之外，为了增加相机成像的清晰度，可以增加主动照明系统，以提供覆盖视觉相机的工作光谱并满足相机曝光量的照明，主动照明系统可以适应测量距离的变化分为多档发光强度控制。另外，主动照明系统可以是I组，也可以是多组，安装位置可以在基线中间，也可以在每个视觉相机附近，也可以采用分布式安装方式。测量时，涉及到以下坐标系激光测距仪测量坐标系OAlYtlZtl :原点Otl位于激光发射器出射光束轴上，并在激光测距仪距离零位点(通过标定确定)上。OtlZtl轴方向与出射光束轴一致，朝向出射方向。 O0X0轴垂直于OtlZtl，方向为迎着OtlZtl朝右。OtlYtl与前两轴成右手系。双目视觉左相机像面坐标系U1P1V1:原点P1位于像面探测器左上角点像素中心，横轴P1U1与探测器第一行中心线重合并迎目标向右，纵轴P1V1与左数第一列中心线重合并迎目标朝下。双目视觉右相机像面坐标系UrPr':原点位于像面探测器左上角点像素中心，横轴PPr与探测器第一行中心线重合并迎目标向右，纵轴与左数第一列中心线重合并迎目标朝下。双目视觉左相机测量坐标系O1X1Y1Z1 :原点O1位于探测器中心像素的中心，O1Z1垂直于探测器敏感面指向目标，O1X1和O1Y1分别与P1U1和P1V1平行并方向一致。双目视觉右相机测量坐标系OrXJJr :原点Or位于探测器中心像素的中心，OrZr垂直于探测器敏感面指向目标，OrXr和OA分别与PA和平行并方向一致。世界坐标系OwXwYwZw :原点O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法，其特征在于步骤如下：(1)在距离非合作目标一定距离的交会航天器的同一方向上安装至少一套双目视觉相机对和一个激光测距仪，其中激光测距仪位于双目视觉相机对的中间位置，激光测距仪的激光束出射方向处于双目视觉相机对光轴平面内两个相机光轴的夹角平分线上；(2)利用标靶对双目视觉相机对和激光测距仪进行标定，获得激光测距仪测量坐标系和双目视觉相机对中任意一个视觉相机测量坐标系的转换关系；(3)激光测距仪发出激光束至非合作目标，在非合作目标上形成光斑，获取激光测距仪与非合作目标之间的距离，同时利用双目视觉相机对同时对所述光斑进行成像，获取光斑在视觉相机测量坐标系中的三维坐标；(4)利用获取的激光测距仪与非合作目标之间的距离以及步骤(2)得到的转换关系，首先对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标中距离向的坐标进行修正，然后对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标中的其余两个方向的坐标进行修正；(5)获取非合作目标的6自由度测量量，其中三个位置坐标为步骤(4)修正的结果，三个姿态为基于三个位置修正结果的双目视觉相机对的姿态计算结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郝云彩，贾瑞明，张弘，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：