專利名稱：一種基于目標(biāo)特征構(gòu)型的位姿測(cè)量特征點(diǎn)提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于目標(biāo)特征構(gòu)型的位姿測(cè)量特征點(diǎn)提取方法，特別是在復(fù)雜星空背景下基于目標(biāo)特征構(gòu)型的特征點(diǎn)提取方法，屬于交會(huì)對(duì)接技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，在航天器空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，需要精確測(cè)量?jī)蓚€(gè)航天器之間的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。通常是在目標(biāo)航天器上設(shè)置光學(xué)特征點(diǎn)，在追蹤航天器上安裝CCD傳感器，根據(jù)光學(xué)特征點(diǎn)的幾何形狀、尺寸和位置，利用小孔成像原理，使CCD傳感器成像，通過(guò)對(duì)成像的計(jì)算和分析，來(lái)確定兩個(gè)航天器之間的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。這個(gè)過(guò)程一般分為三個(gè)部分，相機(jī)標(biāo)定、圖像處理和位姿解算。相機(jī)標(biāo)定是用來(lái)獲得相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)從而構(gòu)筑相機(jī)模型；圖像處理是通過(guò)對(duì)CCD傳感器成像的計(jì)算和分析來(lái)得到光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)；位姿解算是通過(guò)視覺原理根據(jù)光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)和世界坐標(biāo)解算出兩個(gè)航天器之間的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。在位姿測(cè)量的圖像處理部分，有基于線目標(biāo)特征和點(diǎn)目標(biāo)特征的航天器間相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)測(cè)量。在基于線目標(biāo)特征的航天器間相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)測(cè)量方法中，利用目標(biāo)航天器上已知的框架結(jié)構(gòu)作為特征物體，以它的邊或棱作為特征進(jìn)行提取，例如太陽(yáng)帆的邊，太陽(yáng)帆與航天器連接的三角架，或者目標(biāo)航天器上比較明顯的棱。在基于點(diǎn)目標(biāo)特征的航天器間相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)測(cè)量方法中，利用目標(biāo)航天器上已知的頂點(diǎn)作為特征點(diǎn)，或者在目標(biāo)航天器上設(shè)置光學(xué)特征點(diǎn)或者角反射器作為特征點(diǎn)。利用3個(gè)不共線的特征點(diǎn)就能確定出探測(cè)器與被測(cè)目標(biāo)間相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)，但是解不唯一，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，從多個(gè)解中進(jìn)行選擇，為保證解的唯一性，須要使3個(gè)不共線的特征點(diǎn)所成的平面與CCD相機(jī)的光軸方向不垂直。為了避免解的不唯一，可以增加特征點(diǎn)個(gè)數(shù)，在目標(biāo)航天器上設(shè)置4個(gè)特征點(diǎn)。通過(guò)4個(gè)具有一定構(gòu)型的特征點(diǎn)即可唯一的確定航天器間的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)(該問(wèn)題稱為P4P問(wèn)題)。針對(duì)P4P問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者作了大量研究?？墒茄芯康那疤岫际窃跓o(wú)干擾的理想情況下做的實(shí)驗(yàn)研究，在真實(shí)情況下，由于星空背景的干擾，CCD傳感器產(chǎn)生的畸變，無(wú)論用哪種方法進(jìn)行航天器間的相對(duì)測(cè)量，目標(biāo)航天器上的特征點(diǎn)都不易于提取，特征點(diǎn)的提取可能會(huì)發(fā)生漏檢，誤檢，因此也就無(wú)法準(zhǔn)確得到航天器間的相對(duì)信息。2012年6月神舟九號(hào)飛船與天宮一號(hào)的交會(huì)對(duì)接任務(wù)，天宮一號(hào)作為目標(biāo)航天器，它采用了一個(gè)中間為十字圖案，外圍為圓形包裹的復(fù)雜光學(xué)特征圖案，來(lái)避免星空背景的干擾。但是，復(fù)雜光學(xué)特征圖案增加了整個(gè)航天器能量消耗，增加了圖像處理的難度和圖像處理的時(shí)間，而且對(duì)于能源有限的微小衛(wèi)星，較大能耗的光學(xué)特征點(diǎn)不適宜采用。因此設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)單易行的位姿測(cè)量特征點(diǎn)提取方法，具有很好的工程應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決在目標(biāo)特征點(diǎn)提取過(guò)程中星空背景產(chǎn)生的干擾問(wèn)題以及目標(biāo)航天器上光學(xué)特征點(diǎn)的能量消耗問(wèn)題，而提出的一種基于目標(biāo)特征構(gòu)型的位姿測(cè)量特征點(diǎn)提取方法。本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)解決方案實(shí)現(xiàn)的—種基于目標(biāo)特征構(gòu)型的位姿測(cè)量特征點(diǎn)提取方法，包括如下步驟步驟I，在目標(biāo)航天器上設(shè)置構(gòu)成菱形的四個(gè)低功耗發(fā)光二極管(LED燈)。步驟2，在航天器交會(huì)對(duì)接的逼近階段，采用追蹤航天器相機(jī)，采集復(fù)雜星空背景下的光學(xué)特征點(diǎn)圖像，并經(jīng)過(guò)自適應(yīng)閾值二值化、平滑濾波后得到一幅二值圖像，每個(gè)像素得值僅為O或I。
步驟3，通過(guò)搜索步驟2得到的圖像中的平面菱形構(gòu)型，求出航天器光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)。具體的搜索方法如下步驟3. 1，將步驟2得到的圖像上大小不一的光斑進(jìn)行劃分，每一個(gè)光斑屬于一個(gè)單連通域，對(duì)圖像區(qū)域中的光斑編號(hào)，并求出所有光斑質(zhì)心坐標(biāo)和光斑像素面積。步驟3. 2，從所求的光斑質(zhì)心坐標(biāo)中選取不同的四個(gè)點(diǎn)，所選四個(gè)點(diǎn)的光斑像素面積大小近似；判斷是否構(gòu)成菱形，如果構(gòu)成菱形，則存儲(chǔ)此四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。步驟3. 3，由于安裝在目標(biāo)航天器上的光學(xué)特征點(diǎn)所包圍的區(qū)域內(nèi)不會(huì)有任何光斑，因此以步驟3. 2得到的構(gòu)成菱形的四個(gè)點(diǎn)中距離最長(zhǎng)的兩個(gè)點(diǎn)為直徑，做一個(gè)圓，若有除該菱形四點(diǎn)之外的其它光斑點(diǎn)落在這個(gè)圓內(nèi)，則排除該組菱形構(gòu)型。反之，則判定該組光斑坐標(biāo)是目標(biāo)航天器上的光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)。步驟3. 4，重復(fù)步驟3. 2-步驟3. 3，直到得到一組目標(biāo)航天器上的光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)。有益效果I.采用小功率發(fā)光二極管作為光學(xué)特征點(diǎn)，可以減少目標(biāo)航天器的能耗，不僅適用于航天器間的交會(huì)對(duì)接任務(wù)，而且還適用于微小衛(wèi)星的編隊(duì)飛行。2.采用圓形光學(xué)特征點(diǎn)，可以避免復(fù)雜的圖像處理，減少圖像處理的時(shí)間，提高實(shí)時(shí)性。3.采用基于幾何構(gòu)型的特征點(diǎn)提取方法，可以有效的去除星空背景的干擾，去除隨機(jī)噪聲，較易得到光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)，結(jié)果穩(wěn)定、可靠，方法易于實(shí)現(xiàn)，該發(fā)明具有較好的應(yīng)用前景。


圖I為具體實(shí)施方式
中任務(wù)板設(shè)計(jì)圖，其中小孔為任務(wù)光標(biāo)燈；圖2為具體實(shí)施方式
中0K_AM1330相機(jī)和三軸轉(zhuǎn)臺(tái)；圖3為具體實(shí)施方式
中采集的原圖像；圖4為具體實(shí)施方式
中經(jīng)過(guò)二值化、平滑濾波的圖像；圖5為具體實(shí)施方式
中的搜索結(jié)果；圖6為具體實(shí)施方式
中提取特征點(diǎn)流程圖。
具體實(shí)施方式
為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。為了模擬航天器交會(huì)對(duì)接的過(guò)程，采用任務(wù)板來(lái)模擬目標(biāo)航天器，在任務(wù)板上安裝12V/3W的LED燈，作為光學(xué)特征點(diǎn)，將任務(wù)板安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，相機(jī)固定在三腳架上模擬追蹤航天器的視覺系統(tǒng)，兩個(gè)航天器間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)任務(wù)板LED燈構(gòu)型，如圖I所示，在6，7，8，9孔安裝LED燈構(gòu)成菱形，其相對(duì)于任務(wù)板的坐標(biāo)為[200,70], [120，150]，[200，230]，[280，150](以任務(wù)板左上角為原點(diǎn)，向右為正X方向，向下為正y方向)，其它小孔作為干擾光源用。將任務(wù)板安裝在如圖2所示的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，以模擬航天器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。本實(shí)例采用0K_AM1330黑白工業(yè)數(shù)字?jǐn)z相機(jī)對(duì)任務(wù)板上的光標(biāo)燈采集成像，獲得一幅512X512的8位深度灰度圖，如圖3所示。圖像二值化、平滑濾波。將上述所得的圖像二值化，首先需要統(tǒng)計(jì)整 個(gè)圖像的灰度分布，根據(jù)灰度直方圖，一般會(huì)有兩個(gè)峰值Vl和v2，較大灰度值對(duì)應(yīng)的峰值為光斑，較小
y\ + j/2
灰度值對(duì)應(yīng)的峰值為背景，以為界，能求出光斑點(diǎn)數(shù)占總圖像像素?cái)?shù)的比例wl，光
斑圖像的平均灰度ul，背景點(diǎn)數(shù)占總圖像像素?cái)?shù)的比例《2，背景的平均灰度u2?？倛D像的平均灰度就為u = wlXul+w2Xu2。從最小的灰度值(O)到最大的灰度值(255)遍歷，當(dāng)g=wlX(ul-u)2+w2X (u2-u)2最大時(shí)，此刻的灰度值就為最佳閾值。該方法利用了方差的原理，因?yàn)榉讲钍腔叶确植季鶆蛐缘囊粋€(gè)度量，圖像兩部分方差越大，則光斑被錯(cuò)分為背景的概率則越來(lái)越小。隨機(jī)噪聲和星體形成的較小光斑圖像像素面積小于10個(gè)像素，設(shè)計(jì)7X7像素的均值濾波器對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波。均值濾波器是低通濾波器，它用濾波掩模確定的領(lǐng)域內(nèi)像素的平均灰度值去代替圖像每個(gè)像素點(diǎn)的值，一般的隨機(jī)噪聲都是由小型的“尖銳”變化組成，因此會(huì)被濾波器過(guò)濾掉，經(jīng)過(guò)均值濾波后的圖像如圖4所示。接下來(lái)需要提取特征點(diǎn)，經(jīng)過(guò)上述步驟的操作，每個(gè)單獨(dú)光斑構(gòu)成一個(gè)單連通域。對(duì)各個(gè)單連通域進(jìn)行編號(hào)，即將同一個(gè)單連通域里的所有像素值變成跟編號(hào)相同的數(shù)值，便于后續(xù)操作。然后再按照編號(hào)次序利用質(zhì)心公式求出各連通域的形心位置坐標(biāo)，得到一組光斑坐標(biāo)序列，再求出光斑面積。這些數(shù)據(jù)中包含任務(wù)光標(biāo)燈的坐標(biāo)以及背景星體的坐標(biāo)，為了尋找到目標(biāo)航天器上的光學(xué)特征點(diǎn)可以通過(guò)對(duì)所有光斑序列進(jìn)行排列組合，從中任意抽取四個(gè)不同編號(hào)的光斑質(zhì)心坐標(biāo)，看是否滿足搜索條件，如果滿足的話就是目標(biāo)光學(xué)特征點(diǎn)。搜索過(guò)程具體如下步驟1，從光斑編號(hào)中任意挑取四個(gè)不重復(fù)的光斑點(diǎn)，作為菱形四個(gè)角點(diǎn)。這四個(gè)點(diǎn)的像素面積近似相等，因?yàn)槟繕?biāo)航天器上安裝的是同樣的LED燈，所以成像面積大小近似。步驟2，判斷這四個(gè)點(diǎn)是否能構(gòu)成菱形。判斷的準(zhǔn)則首先以第一個(gè)點(diǎn)為基點(diǎn)，求出其它三個(gè)點(diǎn)相對(duì)于這個(gè)點(diǎn)的矢量，判斷是否有兩個(gè)矢量的模近似相等，如果存在這兩個(gè)矢量，則疊加這兩個(gè)矢量跟第三個(gè)矢量作比較，如果相等，則這組數(shù)據(jù)保留下來(lái)。步驟3，剔除背景星體的坐標(biāo)。在航天器交會(huì)對(duì)接的逼近段，通過(guò)其他手段測(cè)量方式，可以使目標(biāo)航天器處在追蹤航天器的視野里。因?yàn)長(zhǎng)ED燈安裝在目標(biāo)航天器上，由于目標(biāo)航天器本體對(duì)星空背景的遮擋，所以整個(gè)構(gòu)型當(dāng)中不包含其他星體干擾。因此，我們判斷保留下來(lái)的數(shù)據(jù)所確定的菱形區(qū)域當(dāng)中是否含有其他星體坐標(biāo)。如果沒有，則這組數(shù)據(jù)就是目標(biāo)航天器光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)。搜索結(jié)果如圖5所示，詳細(xì)流程如圖6所示。本實(shí)例提取結(jié)果如下表所示
權(quán)利要求
1.一種基于目標(biāo)特征構(gòu)型的位姿測(cè)量特征點(diǎn)提取方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1，在目標(biāo)航天器上設(shè)置構(gòu)成菱形的四個(gè)低功耗發(fā)光二極管； 步驟2，在航天器交會(huì)對(duì)接的逼近階段，采用追蹤航天器相機(jī)，采集復(fù)雜星空背景下的光學(xué)特征點(diǎn)圖像，并經(jīng)過(guò)自適應(yīng)閾值二值化、平滑濾波后得到一幅二值圖像； 步驟3，通過(guò)搜索步驟2得到的圖像中的平面菱形構(gòu)型，求出航天器光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)； 具體的搜索方法如下 步驟3. 1，將步驟2得到的圖像上大小不一的光斑進(jìn)行劃分，每一個(gè)光斑屬于一個(gè)單連通域，對(duì)圖像區(qū)域中的光斑編號(hào)，并求出所有光斑質(zhì)心坐標(biāo)和光斑像素面積； 步驟3. 2，從所求的光斑質(zhì)心坐標(biāo)中選取不同的四個(gè)點(diǎn)，所選四個(gè)點(diǎn)的光斑像素面積大小近似；判斷是否構(gòu)成菱形，如果構(gòu)成菱形，則存儲(chǔ)此四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)； 步驟3. 3，由于安裝在目標(biāo)航天器上的光學(xué)特征點(diǎn)所包圍的區(qū)域內(nèi)不會(huì)有任何光斑，因此以步驟3. 2得到的構(gòu)成菱形的四個(gè)點(diǎn)中距離最長(zhǎng)的兩個(gè)點(diǎn)為直徑，做一個(gè)圓，若有除該菱形四點(diǎn)之外的其它光斑點(diǎn)落在這個(gè)圓內(nèi)，則排除該組菱形構(gòu)型；反之，則判定該組光斑坐標(biāo)是目標(biāo)航天器上的光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)； 步驟3. 4，重復(fù)步驟3. 2-步驟3. 3，直到得到一組目標(biāo)航天器上的光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于目標(biāo)特征構(gòu)型的位姿測(cè)量特征點(diǎn)提取方法，其特征在于采用圓形光學(xué)特征點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于目標(biāo)特征構(gòu)型的位姿測(cè)量特征點(diǎn)提取方法，特別是在復(fù)雜星空背景下基于目標(biāo)特征構(gòu)型的特征點(diǎn)提取方法，屬于交會(huì)對(duì)接技術(shù)領(lǐng)域。首先在目標(biāo)航天器上設(shè)置構(gòu)成菱形的四個(gè)低功耗發(fā)光二極管；在航天器交會(huì)對(duì)接的逼近階段，采用追蹤航天器相機(jī)，采集復(fù)雜星空背景下的光學(xué)特征點(diǎn)圖像，并經(jīng)過(guò)自適應(yīng)閾值二值化、平滑濾波后得到一幅二值圖像；通過(guò)搜索圖像中的平面菱形構(gòu)型，求出航天器光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)。本方法可以有效的去除星空背景的干擾，去除隨機(jī)噪聲，較易得到光學(xué)特征點(diǎn)的像平面坐標(biāo)，結(jié)果穩(wěn)定、可靠，方法易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102915539SQ20121036421
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者張景瑞, 溫凱, 翟光 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)