本發(fā)明涉及空間非合作目標(biāo)位姿測量領(lǐng)域，尤其涉及一種視覺與激光融合的空間目標(biāo)位姿測量系統(tǒng)在軌標(biāo)定方法。

背景技術(shù)：

1、目前，空間非合作目標(biāo)通常采用多傳感器信息融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的目標(biāo)位姿測量。例如單目視覺傳感器與激光測距儀融合的聯(lián)合測量系統(tǒng)可以將高橫向分辨率的視覺和高精度的距離信息進(jìn)行結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)高精度的位姿估計。由于在實(shí)際任務(wù)中，空間目標(biāo)位姿的聯(lián)合測量系統(tǒng)長期運(yùn)行在嚴(yán)苛的空間環(huán)境中，視覺傳感器與激光測距儀之間的相對位姿關(guān)系會隨著不同空間任務(wù)發(fā)生變化，而對于視覺傳感器與激光測距儀的聯(lián)合測量系統(tǒng)而言，通過對視覺傳感器和激光測距儀進(jìn)行高精度標(biāo)定，可以獲取視覺傳感器所在坐標(biāo)系與激光測距儀所在坐標(biāo)系之間的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系。因此，對聯(lián)合測量系統(tǒng)中視覺傳感器與激光測距儀之間的相對位姿關(guān)系進(jìn)行在軌標(biāo)定是十分必要的。

2、目前，按照標(biāo)定物的類型不同，在軌標(biāo)定方法大體上可以分為以下三類：

3、一、第一類是基于張正友棋盤格的聯(lián)合標(biāo)定方法。zhang?q等人提出了一種基于棋盤格的相機(jī)與二維激光掃描儀聯(lián)合標(biāo)定方法，該方法利用相機(jī)和激光掃描儀分別對棋盤格平面進(jìn)行測量，將激光點(diǎn)到平面距離設(shè)置為約束條件，從而求解出所需標(biāo)定參數(shù)，但該方法的精度受激光點(diǎn)所在平面與標(biāo)定平面之間夾角影響較大。unnikrishnan?r等人在zhang?q的基礎(chǔ)上繼續(xù)研究了相機(jī)與三維激光掃描儀的聯(lián)合標(biāo)定方法，由于測量系統(tǒng)使用三維激光掃描儀，因此需要多次觀測以獲得更多數(shù)據(jù)。與zhangq等人設(shè)置約束條件的方式類似，vasconcelos?f等人通過自由移動棋盤格，將共面線處的深度作為約束條件求得標(biāo)定參數(shù)，在其基礎(chǔ)上將標(biāo)定參數(shù)的求解重新表述為一個n點(diǎn)透視（pnp）問題，但該方法存在精度有限，數(shù)值不穩(wěn)定的問題。zhou?lipu等人對前述問題進(jìn)行了改進(jìn)，以三對線到平面的對應(yīng)關(guān)系作為約束條件估計位姿參數(shù)，得到了更精確的解，然而其魯棒性依然受到一定限制，且該方法需要使用大型棋盤格。

4、二、第二類是基于特殊標(biāo)定物的標(biāo)定方法。tang等人提出了一種基于球面擬合的激光測距傳感器方位參數(shù)標(biāo)定方法，該方案的標(biāo)定精度高，但通用性較差。li?g等人利用一種直角三角形平板作為標(biāo)定物，將激光測距傳感器切片平面與標(biāo)定平面邊緣的不可見交點(diǎn)作為約束，通過最小化測量交點(diǎn)與其在相機(jī)圖像平面上的相應(yīng)投影之間的代數(shù)誤差來標(biāo)定參數(shù)。rodriguez?f等人使用了一種兩個同心黑環(huán)的標(biāo)定板，利用同心圓的幾何性質(zhì)作為約束進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。aliakbarpourh等人以自由移動的高亮度光源作為校準(zhǔn)對象進(jìn)行匹配，從而實(shí)現(xiàn)相機(jī)和激光掃描儀的聯(lián)合標(biāo)定。zhou?a等人提出了一種以圓錐面和圓柱面為標(biāo)定物的標(biāo)定方法，利用多個不同位置的錐角或圓柱直徑不變和多個不同測量的圓錐節(jié)點(diǎn)位置不變的幾何性質(zhì)作為約束條件完成參數(shù)標(biāo)定。這些算法的精度相對傳統(tǒng)的基于棋盤格的標(biāo)定方法普遍有了一定程度的提高，但是總體而言其所需的標(biāo)定物是針對具體使用場景設(shè)定的，定制性較強(qiáng)，通用性較差。

5、三、第三類是基于普通標(biāo)定物的標(biāo)定方法。wasielewski?s等人提出了一種基于帶有v形幾何特性物體的標(biāo)定方法，通過計算激光掃描儀掃描平面與v形標(biāo)定物的交點(diǎn)并最小化投影點(diǎn)到圖像中檢測到的線段的距離得到標(biāo)定參數(shù)，該方案需要進(jìn)行大量觀測，同時掃描點(diǎn)和觀測線之間的誤匹配會引起誤差的增大。為了提高算法精度，kwak?k等人通過huber加權(quán)函數(shù)降低了誤匹配對標(biāo)定結(jié)果的影響。在此基礎(chǔ)上，gomez-ojedar等人提出了一種基于帶有正交三面體幾何特性物體的標(biāo)定方法，通過設(shè)置線到平面和點(diǎn)到平面兩類約束，解決了因v形幾何特征約束單一而帶來的誤差較大的問題。scaramuzza等人提出了一種全景相機(jī)和激光掃描儀的聯(lián)合標(biāo)定方法，通過將全景相機(jī)中的特征點(diǎn)與激光掃描儀得到的特征點(diǎn)距離信息進(jìn)行匹配，并利用pnp算法進(jìn)行解算得到標(biāo)定參數(shù)，該方法計算量較大，對計算資源要求較高。

6、綜上所述，現(xiàn)有的視覺傳感器和激光測距儀聯(lián)合測量系統(tǒng)的標(biāo)定方法研究主要集中在基于棋盤格等特定標(biāo)定物的標(biāo)定方法，該類方法標(biāo)定速度較快，精度較高，但是對于標(biāo)定物的選擇較為依賴。而在基于普通場景下的標(biāo)定方法往往計算量較大，對計算資源要求較高，無法滿足空間有限計算資源情況下對聯(lián)合位姿測量系統(tǒng)高精度快速標(biāo)定的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有基于棋盤格等特殊標(biāo)定物的標(biāo)定方法存在的標(biāo)定物針對具體使用場景設(shè)定通用性較差，或者現(xiàn)有基于普通場景下的標(biāo)定方法存在的計算量大、對計算資源要求較高的技術(shù)問題，而提供一種視覺與激光融合的空間目標(biāo)位姿測量系統(tǒng)在軌標(biāo)定方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)解決方案如下：

3、一種視覺與激光融合的空間目標(biāo)位姿測量系統(tǒng)在軌標(biāo)定方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

4、步驟1，建立視覺傳感器與激光測距儀的聯(lián)合標(biāo)定模型；

5、定義激光測距儀所在坐標(biāo)系為激光坐標(biāo)系，視覺傳感器所在坐標(biāo)系為視覺坐標(biāo)系，以激光投射方向作為激光坐標(biāo)系的z軸，以視覺傳感器光軸方向作為視覺坐標(biāo)系的z軸；激光坐標(biāo)系和視覺坐標(biāo)系之間存在旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量；

6、步驟2，求解激光光斑的空間位置；

7、根據(jù)步驟1建立的聯(lián)合標(biāo)定模型，分別求解初始測量位置時激光坐標(biāo)系下激光光斑空間點(diǎn)在視覺坐標(biāo)系下對應(yīng)的點(diǎn)，以及激光坐標(biāo)系下激光光斑空間點(diǎn)在歸一化成像平面上對應(yīng)的像點(diǎn)；多次同步改變激光測距儀和視覺傳感器的測量位置，求解并獲得多組改變測量位置后激光光斑空間點(diǎn)在相應(yīng)視覺坐標(biāo)系下對應(yīng)的點(diǎn)及激光光斑空間點(diǎn)在相應(yīng)歸一化成像平面上對應(yīng)的像點(diǎn)；

8、步驟3，求解和優(yōu)化激光坐標(biāo)系和視覺坐標(biāo)系之間的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系；

9、將步驟2獲得的多組改變測量位置后激光光斑空間點(diǎn)在相應(yīng)視覺坐標(biāo)系下對應(yīng)的點(diǎn)及激光光斑空間點(diǎn)在相應(yīng)歸一化成像平面上對應(yīng)的像點(diǎn)作為約束條件，通過改進(jìn)的正交迭代算法，求解和優(yōu)化激光坐標(biāo)系和視覺坐標(biāo)系之間的位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系；所述改進(jìn)的正交迭代算法包括：

10、a、采用基于平行透視投影模型的初值計算方法計算旋轉(zhuǎn)矩陣的迭代初值；

11、b、通過以下聯(lián)立方程進(jìn)行正交迭代，得到：

12、

13、

14、

15、

16、其中，，，n為迭代次數(shù)，為第k+1個位置的激光坐標(biāo)系在第k個位置的激光坐標(biāo)系下的位姿矩陣，為第個激光光斑空間點(diǎn)的坐標(biāo)，i為單位矩陣，為像點(diǎn)的投影矩陣，的迭代初值為，為第m次迭代后的投影點(diǎn)，為第m次迭代后投影點(diǎn)的轉(zhuǎn)置，，；

17、c、通過下式計算最終的平移向量：

18、?。

19、進(jìn)一步地，步驟2中，通過下式求解激光坐標(biāo)系下激光光斑空間點(diǎn)在視覺坐標(biāo)系下對應(yīng)的點(diǎn)：

20、

21、其中，為初始測量位置的激光光斑空間點(diǎn)。

22、進(jìn)一步地，步驟2中，通過下式求解激光坐標(biāo)系下激光光斑空間點(diǎn)在歸一化成像平面上對應(yīng)的像點(diǎn)：

23、

24、其中， k為視覺傳感器的內(nèi)參矩陣， z為像點(diǎn)的尺度信息。

25、進(jìn)一步地，步驟3中，采用基于平行透視投影模型的初值計算方法計算的旋轉(zhuǎn)矩陣的迭代初值為：

26、

27、其中，為目標(biāo)質(zhì)心處的深度信息，，，、分別為所有激光光斑空間點(diǎn)集合的目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)對應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)的x方向和y方向分量，為3階單位矩陣，、分別為和的反對稱矩陣，、、分別為旋轉(zhuǎn)矩陣在三個自由度方向上的旋轉(zhuǎn)分量，為平移向量在z方向的平移量。

28、本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果如下：

29、1、本發(fā)明提供的視覺與激光融合的空間目標(biāo)位姿測量系統(tǒng)在軌標(biāo)定方法，首先建立視覺傳感器與激光測距儀的聯(lián)合標(biāo)定模型，在此基礎(chǔ)上，從迭代初值的計算和迭代算法的簡化兩方面對傳統(tǒng)的正交迭代算法進(jìn)行改進(jìn)，以求解和優(yōu)化激光坐標(biāo)系和視覺坐標(biāo)系之間位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系，本發(fā)明僅僅利用空間非合作目標(biāo)一部分作為激光投射目標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)對視覺傳感器與激光測距儀聯(lián)合位姿測量系統(tǒng)的在軌高精度標(biāo)定。

30、2、相比于基于傳統(tǒng)的正交迭代算法的在軌標(biāo)定方法，本發(fā)明提供的視覺與激光融合的空間目標(biāo)位姿測量系統(tǒng)在軌標(biāo)定方法經(jīng)驗(yàn)證，在精度和運(yùn)算效率方面均具有更優(yōu)的性能。

31、3、本發(fā)明提供的視覺與激光融合的空間目標(biāo)位姿測量系統(tǒng)在軌標(biāo)定方法，無需特定標(biāo)志物，具有算法簡單、實(shí)時性強(qiáng)、具有良好的抗噪聲干擾性能和魯棒性等優(yōu)點(diǎn)。