基于合作目标的姿态测量系统建模及精度的蒙特卡罗估计

通过在飞行器表面安装x型的激光发射装置作为合作目标,用于飞行器近景姿态测量.该方法将飞行器姿态变化进行了有效放大,提高了测量精度.建立相应的数学模型以确定飞行器的外部姿态.针对系统的测量函数关系式具有隐式、非线性的特点,且相关系数估计困难,提出了基于蒙特卡罗统计仿真的不确定度估计方法.通过静态实验测得各输入坐标的不确定度及其误差服从的概率分布.用计算机模拟抽样各分量代入测量数学模型中,得到三维姿态的估计值和系统的总不确定度.从而有效地回避了由于测量方程的限制而对测量不确定度估计所造成的困难.使不确定度评定更为有效.仿真结果为实际测量的精度估算奠定基础.     

协方差矩阵在目标二维姿态测量中的应用

针对现有姿态测量方法计算量大的问题,本文提出了一种新的基于协方差矩阵的目标二维姿态测量方法。首先,将图像二值化,提取出目标的重心坐标;其次,计算出目标所在区域的协方差矩阵;最后,得到由协方差矩阵定义的椭圆区域,并求出椭圆的两个轴的大小和方向。两幅图像中目标区域所确定的椭圆长(短)轴的比值即为缩放比例,长(短)轴方向的差值即为旋转角度。仿真实验证明：该方法可以快速准确地计算出目标的旋转角度和缩放比例,旋转角度可以精确到 以内,缩放比例可以精确到 以内,计算时间仅为对数极坐标的1/16。     

非合作航天器的相对位姿测量

为了解决在轨维护和轨道垃圾清除中非合作目标的识别问题,提出了基于立体视觉的位姿(位置和姿态)测量方法.采用中值滤波器对原始图像进行平滑,去除星空背景干扰和其它噪声;将Canny边沿检测器用于对平滑后的图像进行检测,得到包含边沿信息的二值图像.然后,对该二值图像进行Hough变换,提取待识别对象的直线特征,并计算直线间的交点.最后,对所提取的左、右相机图像的点特征进行3D重构,得到各点在世界坐标系中的坐标,并据此建立目标坐标系,求出其相对于世界坐标系的位置和姿态.仿真结果表明,对于较远距离(>2.5 m),位置测量精度优于40 mm,而近距离内(<2.0 m)优于10 mm,相对姿态精度优于2°,基本满足对非合作目标进行跟踪、接近、绕飞等位姿测量要求.     

基于图像分解的快速多圆/椭圆检测方法

提出了一种新的基于相交点检测及其子图分解的快速多圆/椭圆检测方法,它解决了RHT中无效采样与无效累积的问题.实验仿真结果表明本文的算法是有效的.最后给出了与直接RHT检测算法的比较,结果表明检测速度有较大提高.     

基于线阵CCD的空间目标外姿态测量系统

设计了9路线阵CCD相机组合的空间目标外姿态测量系统,它克服了采用面阵图像传感器用于姿态测量时存在的速度和精度的矛盾。该系统分别实时重构放置于被测物体上的点合作目标在世界坐标系下的三维坐标,经空间解算,确定被测物体的姿态角。着眼于合作目标和相机光学系统的相对位置及呼应,解决了多相机与多点合作目标一一对应时的目标干扰问题;设计了新的光学系统构架,提高了精度,节省了空间;实现了多相机测量系统的局部标定和全局标定。测试结果表明,该姿态测量系统可以实现对被测对象高精度、实时的测量,且具有合作目标简单,价格低廉等优点。     

应用线阵CCD的空间目标外姿态测量系统

设计了9路线阵CCD相机组合的空间目标外姿态测量系统,该系统解决了面阵图像传感器用于姿态测量时存在的速度和精度的矛盾,能够实时重构放置于被测物体上的点合作目标在世界坐标系下的三维坐标,并经空间解算,确定被测物体的姿态角.该系统着眼于合作目标和相机光学系统的相对位置,解决了多相机与多点合作目标一一对应时的目标干扰问题;设计了新的光学系统构架,提高了精度,节省了空间;实现了多相机测量系统的局部标定和全局标定.图像采样率为1 316帧/s时,姿态测量精度为1′.测试结果表明,该姿态测量系统可以实现对被测对象高精度的实时测量,且具有合作目标简单,价格低廉等优点.     

基于单目视觉里程计的纯姿态测量算法设计

针对不适用编码器等接触式旋转角度测量器件的场景设计一种基于单目视觉里程计的纯姿态测量算法,具有成本低、精度较好、不漂移的优点。为解决纯旋转条件下的应用问题,以经典单目视觉里程计算法为基础,通过给定深度,直接初始化,修改姿态的计算和优化算法,解决了其在纯旋转条件下无法工作的问题;针对摄像头无法精确安装于被测物体旋转中心的实际问题,建立了安装偏置模型,改进姿态测量算法,有效地解决安装偏置问题,同时提出一种离线测量方案,实现了对安装偏置参数的辨识。用高精度两轴转台验证算法的有效性。实验结果表明该算法在使用低成本摄像头时仍具有良好的综合性能,多自由度周角动态测量误差在0. 5°以内。     

基于点集配准的立方体卫星非合作姿态估计

非合作目标相对姿态估计是空间在轨任务的重要问题。目前视觉成像系统通常采用特征点实现姿态测量,对单个特征点依赖性强,因此存在鲁棒性差的缺点。针对空间非合作目标中的立方体卫星在自主交会对接等任务中的姿态估计问题,采用双目视觉立体匹配并根据三角测量原理获取目标卫星的部分三维点集数据,利用点集配准解算该测量三维数据相对于已知模型的变换参数,最终实现立方体卫星的相对姿态估计。该方法基于稠密点集保证了较高的测量鲁棒性,并可扩展用于解决其他非合作目标的相对姿态估计问题。利用高精度转台的对比测量实验,验证了本文方法的精度和有效性。     

非合作航天器逆深度参数化姿态估计

为了实现对空间失效卫星、空间碎片等非合作目标,尤其是具有自旋运动特性的目标进行在轨服务或者离轨清除,需要精确完成追踪飞行器与目标飞行器之间的相对姿态测量。首先,以逆深度参数化表示相机在世界坐标系下的坐标值、高低角、方位角和深度信息,可以有效解决小视差情况下的单目视觉姿态估计。其次,建立了相机相对于非合作目标的运动模型和测量模型。最后,基于单点随机抽样和扩展卡尔曼滤波实现了相机和目标之间的相对运动姿态估计。实验结果表明:对于三轴稳定目标,接近过程中姿态测量精度约为0.5°;对于匀速慢旋目标,相对角度误差约为3.5%,平均角速度误差约为0.1°/s。可以满足工程上空间非合作目标相对姿态测量的使用需求。     

工件孔心距的视觉测量

介绍了应用广泛的Hough变换检测圆的基本算法,并根据实际被检测对象作了改进,在此基础上,提出了基于视觉检测技术的薄板零件上孔心距的测量方法.该方法能动态、实时、在线检测,抗干扰能力强,精度合适,可达到生产要求.     

基于彩色图像的高速目标单目位姿测量方法

针对风洞分离实验对于视觉测量系统的高精度、大视场、高速的测量要求,提出一种基于单目摄像机的风洞运动目标位姿测量方法。该方法利用单目摄像机进行运动目标位姿信息测量,相比于双目测量方法具有设备简单、视场大的优点。首先提出一种基于靶标特征点相互约束关系的参数优化方法,采用复合式靶标实现摄像机的快速高精度标定;针对目标运动图像处理,提出一种基于图像差叠法和标记点位置估计的图像快速分割与目标定位方法,实现图像特征的快速准确定位;针对单目测量要求及目标运动特性,提出一种基于方向估计标记点布局方式,实现合作标记点的快速识别和提取;最后利用单目视觉原理求解运动目标的位置和姿态信息,通过实验室模拟实验完成了测量系统的精度验证,在1 m×1 m视场范围内,其位移测量精度可达到0.19 mm,俯仰和偏航角测量精度可达到0.18°。     

非合作航天器的立体视觉位姿测量

针对在轨服务中非合作航天器相对位姿测量的关键任务,提出了一种双目立体视觉方法.该方法利用两台大视场可见光相机获取高分辨率图像,用双边滤波方法对图像进行预处理,接着利用弧线段拟合法提取目标表面的对接环椭圆,用Hough变换法提取目标的矩形边框特征,并引入极线约束准则、对接环尺寸约束和光流跟踪的方法,提高算法的提取精度和效...     

基于三维模型的空间目标视觉位姿测量

传统空间合作目标视觉测量技术的适用范围受合作标志安装情况的限制。以边缘轮廓为合作特征,通过三维结构模型建立合作关系,提出一种适用范围更广的空间合作目标视觉位姿测量方法。方法生成不同观察方位的二维目标特征模板与测量图像进行搜索匹配,采用轮廓方向特征对匹配度进行评价,从最优匹配结果中解算目标位姿参数。采用离线预处理策略和两阶段图像金字塔搜索优化方法对处理过程进行加速。通过数字仿真试验和半实物仿真试验对方法的准确性和稳定性进行了验证,垂直光轴方向位置测量绝对误差优于2 mm,沿光轴方向位置测量相对误差优于0. 7%,姿态测量绝对误差优于0. 2°,单次位姿测量用时小于0. 5 s,能够满足空间目标导航需求。     

二维合作目标的单相机空间位姿测量方法

针对空间交会对接的近距离位姿测量要求,提出了一种基于单目视觉的二维合作目标位姿解算算法。为方便空中移动平台的调整以满足特定的位姿关系,引入了一种新的姿态角定义方法,此方法定义的三个姿态角可以作为平台姿态调整的反馈量且不受旋转顺序的限制。平面模型相对于相机坐标系的三个姿态角和位置向量可通过平面单应矩阵直接导出。在测量实验中,算法基于DSP平台实现,合作目标由4个共面LED光源构成,测量值基准由高精度倾角传感器和全站仪获得。对空间位置变化范围为2m×2m,姿态角变化范围为-30°~30°的目标平面进行测量,结果表明,本算法可实现0.88%的相对位置定位误差和最大为0.996°的姿态角测量误差,且单帧算法的解算速度仅为0.25ms。     

基于立体视觉的空间非合作航天器相对位姿自主测量

本文提出一种基于立体视觉的空间非合作航天器相对位姿自主测量方法,用以解决在轨捕获中非合作航天器的相对位姿测量问题。该方法以航天器本体和星箭对接环作为识别特征,识别过程无需人员参与;同时,提出一种基于空间几何约束的特征匹配方法,运用空间几何约束引导匹配,在完成匹配的同时可直接获取特征的三维信息,实现特征匹配与重构的一体化;最后,利用空间向量对非合作航天器的相对位姿参数进行解算,充分利用冗余信息,以提高解算精度。实验结果表明,在航天器本体尺寸为280mm、相对距离为2m的条件下,本文方法的姿态测量误差小于1.5°,位置测量误差小于4mm,能够满足空间非合作航天器在轨捕获的相对位姿测量要求。     

基于双平行线特征的位姿估计解析算法

提出了一种基于特征直线的单目单帧计算机视觉相对位姿估计算法.用几何的方法代替常规代数方法,回避了特征点算法中传统的通过求解旋转矩阵和平移向量来获取位置和姿态参数的过程.以特征直线的平行关系和四直线围成的面积作为输入,推导出了几何意义下的位置和姿态参数解析表达式,求解过程简单、直接.理论推导和实验验证表明了该算法的正确有效性.     

面向工件自动化装配的空间位姿柔性接触式测量方法研究

自动化装配精度极其依赖于自动化位姿测量精度。 目前常用的位姿测量方法基于非接触式测量方法,该方法随光照、 畸变等影响鲁棒性不高。 为提高位姿测量柔性和鲁棒性,本文提出一种基于接触式位姿测量方法,该方法基于多测针接触式测 量系统,通过解耦将位姿调节量转化为姿态、圆心、相位相互独立的测算量。 首先采用视觉引导方式构建视觉坐标系实现点位 测量路径自更新实现柔性测量,然后通过测量工件平面、圆周、孔位圆周获取坐标点位,最后采用最小二乘法拟合平面并将圆周 点位进行投影拟合圆心,求解定位孔圆心构成的向量空间夹角得到姿态、相位及圆心的调整量。 本文所述方法可以提高测量效 率,解耦调整方式大大降低了位姿联调的相互影响,提高了位姿测量的柔性和鲁棒性。 通过实验对本文所提方法的有效性进行 验证,实验结果表明:采用空间位姿柔性接触式测量方法进行测量后调整,其工件相对位置偏差在 0. 075 mm 以下,姿态角度偏 差在 0. 02°以下,相位角度偏差在 0. 055°以下。     

大型自由曲面移动式三维视觉测量系统

本文介绍了一种移动式三维视觉测量系统，用于大型物体自由曲面的测量。传感器采用双目立体视觉方式，并结合编码结构光技术，使匹配过程简化。传感器移动到大型物体周围对各局部区域进行测量。采用一个平面靶标作为中介，建立了传感器位姿变换矩阵的优化目标函数，根据靶标上多个特征点求解出该矩阵，即拼接矩阵。传感器在各个位置所测三维数据通过拼接矩阵统一到全局坐标系下。视觉测量系统在2个位置对维纳斯石膏像进行了测量，并进行拼接。结果表明，该测量系统操作简单，适用范围广；x、y、z坐标拼接RMS误差分别为0．038mm、0．022mm和0．135mm。     

视觉测量中点目标的实时全局搜索

对基于嵌入式平台的视觉测量系统进行了改进,将数字信号处理(DSP)中基于双阈值的搜索算法移植至现场可编程门阵列(FPGA),解决了传统的全局搜索与邻域搜索中目标提取准确性与数据更新率之间的矛盾。在嵌入式平台的FPGA中实现了合作目标标记点的像素级算法。在相机图像的传输过程中完成了基于双阈值全局搜索的标记点像素检测、像素区域识别、10级流水运算的质心提取、多标记点并行运算等功能,避免了邻域搜索带来的邻域尺寸设定、系统更新率、合作目标速度之间的矛盾。实验结果表明,应用文中方法后,视觉测量系统在2048×2048分辨率、5标记点的情况下的数据更新率达到186.33frame/s;与改进前的全局搜索和邻域搜索相比,分别提高了33.5倍和2.7倍,使视觉测量系统的应用范围扩展到了高速运动目标测量领域。