本發(fā)明涉及一種空間自由飛行模擬器視覺(jué)精密定位方法，屬于視覺(jué)測(cè)量
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：空間自由飛行模擬器是對(duì)衛(wèi)星等航天器進(jìn)行地面試驗(yàn)的特有裝置，可以近似模擬出外太空環(huán)境下航天器微重力、零摩擦的空間活動(dòng)，是一種全物理仿真驗(yàn)證方式，克服了數(shù)學(xué)仿真中對(duì)實(shí)物部件精確建模困難的問(wèn)題，對(duì)于驗(yàn)證航天器控制方式以及實(shí)際性能有著十分重要的意義。對(duì)空間自由飛行模擬器進(jìn)行快速而精確地定位是調(diào)整其軌道和姿態(tài)的重要前提，但由于試驗(yàn)的特殊性，空間自由飛行模擬器不能與地面設(shè)備有任何的物理連接，因此其位置及姿態(tài)信息都需要通過(guò)非接觸的方式獲得。傳統(tǒng)非接觸測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)綜合配置激光、超聲波、雷達(dá)和角度傳感器等裝置來(lái)獲得位姿信息，會(huì)帶來(lái)資源浪費(fèi)、成本高、配置過(guò)程復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。視覺(jué)測(cè)量技術(shù)作為一種非接觸式測(cè)量方法，具有實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)采集和處理自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。單目非接觸位姿測(cè)量方式是視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要分支，僅需一臺(tái)相機(jī)或視覺(jué)傳感器采集單張圖像即可完成目標(biāo)物體的精密定位，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、相機(jī)標(biāo)定簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為空間自由飛行模擬器視覺(jué)精密定位提供了一種有效的方法。參考文獻(xiàn)“五自由度氣浮臺(tái)姿態(tài)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)輔助確定”，許劍,楊慶俊,包鋼,李軍.[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2009,04:220-226.該方法在空間自由飛行模擬器的臺(tái)面上固定位置安放紅、綠顏色定位LED燈，通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)采集空間自由飛行模擬器的運(yùn)動(dòng)圖像，由圖像處理算法依次計(jì)算出紅、綠兩個(gè)LED燈中心在計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)系的坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算出空間自由飛行模擬器的平動(dòng)位移以及空間自由飛行模擬器的繞Z軸的轉(zhuǎn)角。其中，經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理后，通過(guò)形心提取算法確定紅、綠LED燈中心，此方法雖簡(jiǎn)單高效，但由于LED發(fā)光截面輪廓形狀與其實(shí)際形狀相比有較大的誤差，影響了定位精度；同時(shí)，在圖像采集時(shí)必須依靠彩色圖像采集設(shè)備，對(duì)硬件設(shè)備要求較高，且計(jì)算量較大，影響了運(yùn)算速度。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在定位精度低，對(duì)硬件設(shè)備要求較高，且計(jì)算量較大，影響運(yùn)算速度的問(wèn)題，提出一種空間自由飛行模擬器視覺(jué)精密定位方法。一種空間自由飛行模擬器視覺(jué)精密定位方法，其特征是，包括以下步驟：步驟一，空間自由飛行模擬器設(shè)置工作平臺(tái)上，攝像機(jī)固定于工作平臺(tái)的正上方，攝像機(jī)與上位機(jī)相連接；步驟二，設(shè)計(jì)應(yīng)用于空間自由飛行模擬器定位的合作靶標(biāo)，并將合作靶標(biāo)置于空間自由飛行模擬器的合適位置；步驟三，合作靶標(biāo)識(shí)別與處理：由上位機(jī)控制攝像機(jī)拍攝獲取安裝合作靶標(biāo)的空間自由飛行模擬器圖像，通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)合作靶標(biāo)進(jìn)行圓形目標(biāo)的圓心提取，獲得圓心在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；步驟四，空間自由飛行模擬器的實(shí)際位姿確定：由步驟三中獲得的圓心在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，根據(jù)已知的合作靶標(biāo)相對(duì)于空間自由飛行模擬器的安裝位置，結(jié)合各坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定空間自由飛行模擬器的實(shí)際位姿，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間自由飛行模擬器的定位。本發(fā)明的積極效果：采用攝像機(jī)進(jìn)行平面視覺(jué)定位，包括兩個(gè)平移自由度定位和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度定位。(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)應(yīng)用于空間自由飛行模擬器定位的合作靶標(biāo)，合作靶標(biāo)由黑白兩種顏色和圓形特征組成。在圖像采集時(shí)，采用黑白圖像采集設(shè)備即可，降低了對(duì)硬件設(shè)備的要求；在圖像處理時(shí)，合作靶標(biāo)中用來(lái)定位白色圓形目標(biāo)與背景有較高的對(duì)比度，有利于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分割，同時(shí)三個(gè)半徑不同的圓形目標(biāo)易于實(shí)現(xiàn)合作靶標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別，提高檢測(cè)效率；(2)本發(fā)明提出圓形目標(biāo)的圓心快速求取方法，該方法在對(duì)包含合作靶標(biāo)的圖像二值化處理的基礎(chǔ)上，通過(guò)像素統(tǒng)計(jì)和求解回歸方程確定圓心，無(wú)需對(duì)圓形目標(biāo)進(jìn)行邊緣提取，即可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)圓心定位和半徑求取，在保證測(cè)量精度的條件下提高了測(cè)量速度。結(jié)合合作靶標(biāo)相對(duì)于空間自由飛行模擬器的安放位置以及相關(guān)坐標(biāo)系變換，可以實(shí)時(shí)獲得空間自由飛行模擬器的位置和姿態(tài)。(3)本發(fā)明利用單目視覺(jué)測(cè)量代替?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量的方法，利用攝像機(jī)成本低且工作穩(wěn)定的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化和降低了測(cè)量條件要求。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明方法的測(cè)量方案示意圖。圖2是本發(fā)明合作靶標(biāo)示意圖。圖3是本發(fā)明的定位方法流程圖。圖4是本發(fā)明所述攝像機(jī)獲得的包含合作靶標(biāo)的圖像。圖5是本發(fā)明預(yù)處理得到的二值圖像BW。圖6是本發(fā)明確定的合作靶標(biāo)上圓形目標(biāo)區(qū)域。圖7是本發(fā)明對(duì)合作靶標(biāo)中圓形目標(biāo)進(jìn)行像素統(tǒng)計(jì)的曲線圖。圖8是本發(fā)明定位圓形特征圓心示意圖。圖9是本發(fā)明定位靶標(biāo)角度計(jì)算示意圖。圖10是本發(fā)明各坐標(biāo)系示意圖。具體實(shí)施方式一種空間自由飛行模擬器視覺(jué)精密定位方法，該方法包括以下步驟：如圖1所示，步驟一，空間自由飛行模擬器2設(shè)置工作平臺(tái)1上，攝像機(jī)4固定于工作平臺(tái)1的正上方，攝像機(jī)4與上位機(jī)5相連接。步驟二，設(shè)計(jì)應(yīng)用于空間自由飛行模擬器定位的合作靶標(biāo)3，并將合作靶標(biāo)3置于空間自由飛行模擬器2的合適位置。如圖2所示，設(shè)計(jì)合作靶標(biāo)3：合作靶標(biāo)3為圓形輪廓，背景為黑色，其上面分布三個(gè)半徑不同的白色實(shí)心圓形目標(biāo)，黑色背景用來(lái)與黑色大理石工作平臺(tái)相統(tǒng)一，提供與白色圓形目標(biāo)較大的對(duì)比度。具體為合作靶標(biāo)3是半徑為15cm的黑色圓盤(pán)，其上面分布三個(gè)半徑不同白色實(shí)心圓形目標(biāo)A、B、C，其中圓A半徑為3.5cm，圓B半徑為2.5cm，圓C半徑為1.5cm，B與C的圓心距離圓A的圓心均為50cm，圓心連線AC與AB垂直，A、B、C的圓心構(gòu)成等腰直角三角形。確定合作靶標(biāo)3的安放位置：圓A的圓心位于整個(gè)靶標(biāo)圓盤(pán)中心，在空間自由飛行模擬器2上粘貼設(shè)計(jì)的合作靶標(biāo)3，使得合作靶標(biāo)3中心點(diǎn)與空間自由飛行模擬器中心點(diǎn)重合，則圓A的圓心坐標(biāo)(aA,bA)即為空間自由飛行模擬器的中心坐標(biāo)(x,y)。步驟三，合作靶標(biāo)識(shí)別與處理；由上位機(jī)5控制攝像機(jī)4拍攝獲取安裝合作靶標(biāo)3的空間自由飛行模擬器2的圖像，如圖3所示，通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)合作靶標(biāo)3進(jìn)行識(shí)別與定位。如圖4所示，合作靶標(biāo)識(shí)別與處理包括以下幾步：第一步，圖像預(yù)處理；針對(duì)獲取的安裝合作靶標(biāo)3的空間自由飛行模擬器2的圖像，通過(guò)高斯平滑模板進(jìn)行圖像去噪處理，由OTSU算法進(jìn)行閾值分割獲得二值化圖像BW，如圖5所示；第二步，白色實(shí)心圓形目標(biāo)的識(shí)別；提取二值化圖像BW中的八連通區(qū)域，根據(jù)連通區(qū)域的大小、寬高比和距離，逐步去除背景中無(wú)效連通區(qū)域，從而確定圓形目標(biāo)的連通區(qū)域Hn，連通區(qū)域數(shù)量為n；(1)合作靶標(biāo)3大小和形狀固定，攝像機(jī)安裝于固定位置后，合作靶標(biāo)3中圓形目標(biāo)在圖像中的大小在一定范圍之內(nèi)，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置大小范圍，若圖5中各連通區(qū)域滿足此大小范圍，則將該連通區(qū)域保留，否則該連通區(qū)域剔除；(2)合作靶標(biāo)3上圓形目標(biāo)的寬高比為1:1，考慮到圖像邊緣區(qū)域的畸變較大，所以寬高比的范圍通常在0.8-1.2之間，若上一步中保留下來(lái)的各連通區(qū)域滿足此寬高比范圍，則將該連通區(qū)域保留，否則該連通區(qū)域剔除；(3)合作靶標(biāo)3上圓形目標(biāo)之間距離固定，攝像機(jī)4安裝于固定位置后，圓形目標(biāo)之間距離在一定范圍內(nèi)。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置距離范圍，若上一步中保留下來(lái)的各連通區(qū)域滿足此寬高比范圍，則將該連通區(qū)域保留，否則該連通區(qū)域剔除；綜上，由連通區(qū)域的大小、寬高比和距離范圍確定出合作靶標(biāo)3上圓形目標(biāo)連通區(qū)域，如圖6所示。第三步，圓心與半徑的求??；(1)對(duì)第n個(gè)連通區(qū)域Hn內(nèi)圖像進(jìn)行保留，Hn外圖像像素值均變?yōu)?，得到保留Hn的二值圖像BWn；(2)對(duì)上步所獲得的二值圖像BWn進(jìn)行逐行掃描與逐列掃描，統(tǒng)計(jì)每一行中像素值為1的像素?cái)?shù)量mi并保存于矩陣M中，統(tǒng)計(jì)每一列中像素值為1的像素?cái)?shù)量nj并保存于矩陣N中，像素值統(tǒng)計(jì)曲線圖如圖7所示；(3)定義圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)位于圖像左上角，橫軸為x軸，縱軸為y軸。圓形特征中心點(diǎn)坐標(biāo)為(a,b)，半徑為r，圓形輪廓像素坐標(biāo)(i,j)，以上三組參數(shù)滿足公式(1)，(i-a)2+(j-b)2＝r2(1)。對(duì)連通區(qū)域進(jìn)行逐行掃描時(shí)，第i行中第一個(gè)像素值為1的像素點(diǎn)坐標(biāo)為(ci_1,jt)，最后一個(gè)像素值為1的像素點(diǎn)坐標(biāo)為(ci_t,jt)，將此兩點(diǎn)帶入方程(1)，得到：(ci_1-a)2+(jt-b)2=r2(ci_t-a)2+(jt-b)2=r2---(2)]]>ci_1、ci_t與mi關(guān)系滿足：mi＝ci_t-ci_1(3)與式(2)聯(lián)立得到像素?cái)?shù)量mi與圓心坐標(biāo)和半徑的關(guān)系為：mi=2r2-(jt-b)2---(4)]]>等式兩側(cè)同時(shí)平方得：mi2=4r2-4(jt-b)2---(5)]]>令繪制出Mi曲線，通過(guò)觀察圖7曲線可知，Mi與jt的關(guān)系呈現(xiàn)拋物線形狀，結(jié)合式(5)，因此可設(shè)Mi關(guān)于jt的回歸方程為M~i=c0+c1jt+c2jt2---(6)]]>利用最小二乘法求解未知參數(shù)c0，c1，c2的估計(jì)值，為此，作離差平方和S=Σt=1k(M~i-c0-c1jt-c2jt2)2---(7)]]>令∂S∂c0=-2Σt=1k(M~i-c0-c1jt-c2jt2)=0∂S∂c1=-2Σt=1k(M~i-c0-c1jt-c2jt2)jt=0∂S∂c2=-2Σt=1k(M~i-c0-c1jt-c2jt2)jt2=0---(8)]]>整理得正規(guī)方程組為：nc0+(Σt=1kjt)c1+(Σt=1kjt2)c2=Σt=1kM~i(Σt=1kjt)c0+(Σt=1kjt2)c1+(Σt=1kjt3)c2=Σt=1kjtM~i(Σt=1kjt2)c0+(Σt=1kjt3)c1+(Σt=1kjt4)c2=Σt=1kjt2M~i---(9)]]>正規(guī)方程組的矩陣表示形式為：JC＝Y(jié)(10)其中：J=nΣt=1kjtΣt=1kjt2Σt=1kjtΣt=1kjt2Σt=1kjt3Σt=1kjt2Σt=1kjt3Σt=1kjt4,Y=Σt=1kM~iΣt=1kjtM~iΣt=1kjt2M~i,C=c0c1c2]]>若J可逆，則正規(guī)方程組有唯一解C^=c^0c^1c^2=J-1Y---(11);]]>求得的即為c0，c1，c2的最小二乘估計(jì)，得到Mi關(guān)于jt的回歸方程理論分析可知，在逐行掃描時(shí)，通過(guò)圓心點(diǎn)即直徑位置的mi值最大，因此，當(dāng)jt為圓心點(diǎn)縱坐標(biāo)時(shí)，Mi曲線取得極大值，即可由Mi關(guān)于jt回歸方程求解出圓心點(diǎn)縱坐標(biāo)。同理，進(jìn)行逐列掃描時(shí)，求解出圓心點(diǎn)橫坐標(biāo)。(4)確定當(dāng)前區(qū)域的圓心坐標(biāo)后，通過(guò)對(duì)當(dāng)前連通區(qū)域?qū)挾戎祑n與高度值hn取均值，估計(jì)當(dāng)前圓形特征半徑為rn=wn+kn2---(12).]]>(5)對(duì)每個(gè)連通區(qū)域重復(fù)上述步驟，提取每個(gè)非0的mi和nj進(jìn)行擬合，將每一個(gè)mi、nj以及相對(duì)應(yīng)的i、j進(jìn)行回歸分析及最小二乘估計(jì)，即解出圓心坐標(biāo)(a,b)，進(jìn)而逐一識(shí)別出各個(gè)圓形目標(biāo)的圓心與半徑，如圖8所示。步驟四，空間自由飛行模擬器2的實(shí)際位姿確定。根據(jù)圖像中白色圓形目標(biāo)的圓心位置、圓心點(diǎn)連線方向以及已知的合作靶標(biāo)3相對(duì)于空間自由飛行模擬器2的安裝位置，計(jì)算得到空間自由飛行模擬器2在圖像中的位置和角度，結(jié)合各坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，確定空間自由飛行模擬器2在世界坐標(biāo)系中的的實(shí)際位姿。(1)根據(jù)不同圓形目標(biāo)的半徑的大小關(guān)系rA>rB>rC來(lái)判斷出圓A、B、C，由步驟二中靶標(biāo)安裝位置可知，圓A的圓心坐標(biāo)(aA,bA)即為空間自由飛行模擬器的中心坐標(biāo)(x,y)，實(shí)現(xiàn)了空間自由飛行模擬器的在圖像坐標(biāo)系中的位置求解。(2)連接AB與AC，圖4所示靶標(biāo)角度為初始化位置，AB與y軸平行，AC與x軸平行，當(dāng)靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算AB與豎直方向的夾角α，計(jì)算AC與水平方向的夾角β，如圖9所示，則得到空間自由飛行模擬器的實(shí)際旋轉(zhuǎn)角度θ為：θ=α+β2---(13).]]>(3)如圖10所示，得到空間自由飛行模擬器2在圖像坐標(biāo)系10中的位置坐標(biāo)(x,y)后，根據(jù)攝像機(jī)的實(shí)際安裝位置和標(biāo)定結(jié)果，結(jié)合成像平面坐標(biāo)系9與圖像坐標(biāo)系10之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系8與成像平面坐標(biāo)系9之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、世界坐標(biāo)系6與攝像機(jī)坐標(biāo)系8的轉(zhuǎn)換關(guān)系、空間自由飛行模擬器坐標(biāo)系7與世界坐標(biāo)系6的轉(zhuǎn)換關(guān)系，確定空間自由飛行模擬器2在世界坐標(biāo)系6中的位置，完成空間自由飛行模擬器的實(shí)際位姿確定，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間自由飛行模擬器的精密定位。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3