本發(fā)明屬于空間目標(biāo)測量領(lǐng)域，特別涉及一種用于空間目標(biāo)測量的主被動融合相機(jī)設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、空間在軌服務(wù)等操控任務(wù)開展時，為了能夠準(zhǔn)確的捕獲目標(biāo)，需要對空間目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。根據(jù)測量過程是否需要主動補(bǔ)光分為被動成像與主動成像兩種模式。雙目相機(jī)測量屬于被動式測量，該技術(shù)途徑探測器較為成熟，分辨率較高，但是受限于視場角、測量基線、太陽光入射角和觀測角等的原因，具有測量范圍有限、魯棒性差、對空間環(huán)境光依賴性強(qiáng)并且算法實時性不佳等缺點，tof相機(jī)測量屬于主動式測量，基于飛行時間法可以直接獲取目標(biāo)的距離信息，通過內(nèi)參標(biāo)定可以進(jìn)一步得到點云數(shù)據(jù)，相較于雙目立體視覺，其測量范圍較寬，但是探測器系統(tǒng)像元尺寸較大、分辨率較低。

2、綜上，本專利提出一種tof模塊與雙目相機(jī)融合的技術(shù)途徑，以克服傳統(tǒng)視覺測量方式和現(xiàn)有tof測量技術(shù)的缺點，為了使測量范圍達(dá)到25m，將設(shè)計遠(yuǎn)/近視場兩組主被動融合測量系統(tǒng)，其中遠(yuǎn)視場負(fù)責(zé)25m～9m，近場負(fù)責(zé)11m～0.5m。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種用于空間目標(biāo)測量的主被動融合相機(jī)設(shè)計方法。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

3、一種用于空間目標(biāo)測量的主被動融合相機(jī)設(shè)計方法，其特點是，包含以下步驟：

4、步驟s1、主被動融合測量相機(jī)選型；

5、步驟s2、主被動融合相機(jī)組合結(jié)構(gòu)設(shè)計；

6、步驟s3、主被動融合相機(jī)標(biāo)定設(shè)計。

7、優(yōu)選的，所述的步驟s1包含以下步驟：

8、s1.1、主被動融合測量相機(jī)由可見光模塊、tof模塊、電源模塊、信息處理模塊、接插件組成；

9、s1.2、所述的可見光模塊包括光學(xué)鏡頭、遮光罩、接口電路；

10、s1.3、所述的tof模塊包括光學(xué)鏡頭、遮光罩、激光器、接口電路；

11、s1.4、所述的電源模塊輸出5v和24v兩種電壓，其中可見光模塊選擇5v供電，tof模塊選擇24v供電；

12、s1.5、所述的信息處理模塊包括對外接口模塊、嵌入式開發(fā)；

13、s1.6、11m～0.5m范圍內(nèi)的近視場tof模塊選擇為blaze-101-tof相機(jī)，供電電壓為24v，11m～0.5m范圍內(nèi)的近視場單目相機(jī)選擇a2a2840-48umbas相機(jī)，供電電壓設(shè)計為5v；

14、s1.7、25m～9m范圍內(nèi)的遠(yuǎn)視場tof模塊選擇為xt-s240pro-tof相機(jī)，供電電壓設(shè)計為24v，25m～9m范圍內(nèi)的遠(yuǎn)視場單目相機(jī)選擇為a2a2448-75umbas相機(jī)，供電電壓設(shè)計為5v；

15、s1.8、信息處理模塊設(shè)計，cpu選擇四核cortex-a76@2.42hz+四核cortex-a55@1.8hz，gpu選擇mail-g610mp4，算力選擇6tops，ram選擇8gblpddr4，rom選擇64gbemmc，對外接口包括3路usb3.1接口、2路usb2.0接口、4路pcie3.0接口、3路pcie2.0接口、2路千兆以太網(wǎng)口、1路hdmi輸入接口、2路hdmi輸出接口、2路mipi接口。

16、優(yōu)選的，所述的步驟s2包含以下步驟：

17、s2.1、近視場tof模塊與遠(yuǎn)場tof模塊分別通過網(wǎng)口與開發(fā)板連接，兩個單目相機(jī)分別通過usb3.1口與開發(fā)板連接；

18、s2.2、近視場tof模塊與遠(yuǎn)視場tof模塊用于分別對目標(biāo)進(jìn)行深度信息獲取，遠(yuǎn)視場tof模塊對25m～9m區(qū)間對目標(biāo)進(jìn)行深度獲取，近視場tof模塊對11m～0.5m區(qū)間對目標(biāo)進(jìn)行深度獲?。?/p>

19、s2.3、遠(yuǎn)視場tof相機(jī)的視場角設(shè)計為72°×58°，分辨率為320×240pixel，體積設(shè)計為65mm×65mm*×41mm，4個led等均勻布置于鏡頭周圍，led的光波長選擇940nm；

20、s2.4、遠(yuǎn)視場tof相機(jī)的視場角設(shè)計為67°×51°，分辨率為640×480pixel，體積設(shè)計為99.6mm×80.6mm×63.1mm，4個led等均勻布置于鏡頭周圍，led的光波長選擇940nm；

21、s2.5、遠(yuǎn)視場單目相機(jī)鏡頭設(shè)計為computarlensm1614-mp2f1.4f16mm2/3"，分辨率選擇2448×2048pixel，像元尺寸設(shè)計為2.74μm×2.74μm，幀率設(shè)計為75fps，接口選擇usb3.1，體積為42.8mm×29mm×29mm；

22、s2.6、近視場單目相機(jī)鏡頭設(shè)計為computarlensm1614-mp2f1.4f8mm2/3"，分辨率選擇2448×2048pixel，像元尺寸設(shè)計為2.74μm×2.74μm，幀率設(shè)計為48fps，接口選擇usb3.1，體積為42.8mm×29mm×29mm；

23、s2.6、遠(yuǎn)視場單目相機(jī)在25m時，視野范圍設(shè)計為10.5m×8.4m，遠(yuǎn)視場單目相機(jī)在10m時，視野范圍設(shè)計為4.1m×3.5m；

24、s2.7、近視場單目相機(jī)在10m時，視野范圍設(shè)計為9.7m×9.7m，近視場單目相機(jī)單目相機(jī)在0.5m時，視野范圍設(shè)計為0.48m×0.48m；

25、s2.8、在遠(yuǎn)/近視場單目相機(jī)切換的10m處，兩個單目相機(jī)都可以對1m×1m×0.2m的目標(biāo)成像。

26、優(yōu)選的，所述的步驟s3包含以下步驟：

27、s3.1、近視場單目相機(jī)與近視場tof模塊的標(biāo)定。將棋盤格標(biāo)定板放至近視場tof模塊與近視場單目相機(jī)的視野范圍內(nèi)，且其圖像清晰，使用近視場單目相機(jī)與近視場tof模塊分別采集100張不同角度和位置的圖像，確保標(biāo)定板在圖像中都有良好的覆蓋，對于每張圖像，使用orb角點提取算法檢測標(biāo)定板上的角點，角點定義為這棋盤格的交叉點，對于近視場單目相機(jī)與近視場tof模塊，使用圖像和相應(yīng)的角點來計算近視場單目相機(jī)與近視場tof模塊的內(nèi)部參數(shù)k近-單與k近-tof(如焦距、主點位置)和外部參數(shù)(如相機(jī)的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣)，其中表示從近視場單目相機(jī)到近視場tof模塊的外部參數(shù)；

28、s3.2、遠(yuǎn)視場單目相機(jī)與遠(yuǎn)視場tof模塊的標(biāo)定，將棋盤格標(biāo)定板放至遠(yuǎn)視場tof模塊與遠(yuǎn)視場單目相機(jī)的視野范圍內(nèi)，且其圖像清晰，使用遠(yuǎn)視場單目相機(jī)與遠(yuǎn)視場tof模塊分別采集200張不同角度和位置的圖像，確保標(biāo)定板在圖像中都有良好的覆蓋，對于每張圖像，使用orb角點提取算法檢測標(biāo)定板上的角點，角點定義為這棋盤格的交叉點，對于元視場單目相機(jī)與遠(yuǎn)視場tof模塊，使用圖像和相應(yīng)的角點來計算近視場單目相機(jī)與近視場tof模塊的內(nèi)部參數(shù)k遠(yuǎn)-單與k遠(yuǎn)-tof(如焦距、主點位置)和外部參數(shù)(如相機(jī)的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣)，其中表示從遠(yuǎn)視場單目相機(jī)到遠(yuǎn)視場tof模塊的外部參數(shù)；

29、s3.3、近視場單目相機(jī)與遠(yuǎn)視場單目相機(jī)標(biāo)定，將棋盤格標(biāo)定板放至近視場單目相機(jī)與遠(yuǎn)視場單目相機(jī)的視野范圍內(nèi)，且其圖像清晰，使用近視場單目相機(jī)與遠(yuǎn)視場單目相機(jī)分別采集25張不同角度和位置的圖像，確保標(biāo)定板在圖像中都有良好的覆蓋，對于每張圖像，使用orb角點提取算法檢測標(biāo)定板上的角點，角點定義為這棋盤格的交叉點，對于近視場單目相機(jī)與遠(yuǎn)視場單目相機(jī)，使用圖像和相應(yīng)的角點來計算相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)k近-單與k遠(yuǎn)-單(如焦距、主點位置)和外部參數(shù)(如相機(jī)的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣)，其中表示從近視場單目相機(jī)到遠(yuǎn)視場單目相機(jī)的外部參數(shù)；

30、s3.4、近視場tof模塊與遠(yuǎn)視場tof模塊標(biāo)定，制作直徑為300mm的圓盤，圓盤選擇為白色反光材質(zhì)，利用圓盤中心點定位進(jìn)行近視場tof模擬與遠(yuǎn)視場tof模塊之間的標(biāo)定。在公共視野范圍內(nèi)尋找圓盤，以圓盤的圓心作為公共點進(jìn)行標(biāo)定計算，再進(jìn)行剛性變換得到兩個相機(jī)之間的標(biāo)定參數(shù)矩陣表示從近視場tof模塊到遠(yuǎn)視場tof模塊的外部參數(shù)；

31、s3.5、計算近視場單目相機(jī)與遠(yuǎn)視場tof模塊的外部參數(shù)計算遠(yuǎn)視場單目相機(jī)與近視場tof模塊的外部參數(shù)其中

32、綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

33、1、tof與雙目相機(jī)的主被動融合，能夠克服傳統(tǒng)雙目相機(jī)和現(xiàn)有tof測量的缺點，具備了復(fù)雜光照、遠(yuǎn)距離成像、深度信息獲取的綜合優(yōu)勢，遠(yuǎn)/近視場切換的方式，能夠適應(yīng)空間多種類型目標(biāo)，確保目標(biāo)始終處于視野，緩解視場角受限問題，雙目相機(jī)、tof模塊與嵌入式開發(fā)板的連接方法，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于替換的優(yōu)點，遠(yuǎn)/近視場tof模塊的不同視場角設(shè)置，能夠更快的捕捉視野內(nèi)的目標(biāo)，且圖像邊緣的畸變較少。

34、2、tof模塊與嵌入式開發(fā)板采用網(wǎng)口連接，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，兩個單目相機(jī)與兩個tof模塊的三次標(biāo)定，具有標(biāo)定簡單、結(jié)果魯棒、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，降低了傳統(tǒng)導(dǎo)軌標(biāo)定方案的復(fù)雜度，兩個單目相機(jī)、兩個tof模塊的切換距離設(shè)計，能夠應(yīng)對空間目標(biāo)翻滾帶來的圖片拖尾問題，兩個單目相機(jī)、兩個tof模塊的布局設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)緊湊且不干擾的優(yōu)點，兩個單目相機(jī)通過usb3.1通信，兩個tof模塊通過網(wǎng)口通信，具有自適應(yīng)的優(yōu)點，減少了對通信帶寬的約束，提高了在軌應(yīng)用的效率，兩個單目相機(jī)、兩個tof模塊的組合，可以形成多種冗余方案，如遠(yuǎn)視場單目+遠(yuǎn)視場tof、近視場單目+近視場tof、遠(yuǎn)視場單目+近視場單目、遠(yuǎn)視場tof+近視場tof，可以有效應(yīng)對某一類類型相機(jī)失效問題，同時可以獲得多景深、多深度數(shù)據(jù)。