基于计算机视觉的月球车位姿确定和立体视觉系统

摘要

根据我国的月球探测计划，“嫦娥工程”第二、三阶段将实现月球探测器的软着陆。在这两个阶段，月球车的研制是一项关键技术。实现月面漫游是月球车进行其它一切后续工作的基础，操作人员必须随时知道月球车的位置和姿态，以便实现月球车的路径规划和轨迹跟踪控制，使月球车到达指定的位置。同时月球车必须具备感知周围地形的能力，这一任务由其立体视觉系统来完成。定位与立体视觉是月球车漫游过程中实现障碍规避、路径规划的基础，也是月球车进行后续所有探测工作的基础。
　　本课题的研究目的是提出一种月球车的定位与视觉系统方案，并对有关关键技术开展理论和实验研究，为月球车的工程研制提供技术储备。
　　本文根据立体视觉的基本原理，给出基于计算机视觉的月球车定位方法和数字地形图生成方法。本文的研究内容包括以下几个方面：
　　首先通过分析立体视觉三维测量的原理，针对月球车视觉系统的特点，设计了月球车视觉系统的硬件和软件结构。
　　接着研究摄像机标定，并将Tsai和Zhang方法应用于所建立系统的标定中。
　　然后提出基于计算机视觉的特征光源辅助月球车定位方法。针对图像噪声很多的情况，使用了颜色、光源大小、光源之间距离等多种约束从多组候选特征光源中选出最优的一组。推导出三维点对匹配确定月球车的位姿的算法。
　　最后研究基于平行双目立体视觉系统的数字地形图生成方法。首先对图像进行极线校正和立体匹配，然后进行三维重建，针对月球车周围地形的特点，并且为了减少对内存和运算的需求，采用基于栅格的数字地形图表示方法。

目录

基于计算机视觉的月球车位姿确定和立体视觉系统

COMPUTER VISION BASED LUNARROVER ATTITUDE AND POSITIONESTIMATION AND STEREOVISION SYSTEM

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及目的

1.2 移动机器人定位研究现状

1.3 立体视觉研究现状

1.4 课题主要内容

第2章 月球车视觉系统设计

2.1 引言

2.2 立体视觉原理

2.2.1 摄像机成像模型

2.2.2 三角测距原理

2.2.3 立体视觉的基本问题

2.3 视觉系统配置

2.3.1 摄像机及图像采集卡

2.3.2 月球车及特征光源

2.3.3 摄像机旋转平台及其控制系统

2.3.4 软件配置

2.4 本章小结

第3章 摄像机标定

3.1 摄像机投影模型

3.1.1 Tsai 的摄像机模型

3.1.2 Zhang 的摄像机模型

3.1.3 两种投影模型参数的关系

3.2 摄像机标定

3.2.1 Tsai 的两步标定法

3.2.2 Zhang 标定方法

3.3 标定实验

3.3.1 Tsai 方法

3.3.2 Zhang 方法

3.4 本章小结

第4章 基于特征光源的月球车位姿确定方法

4.1 引言

4.2 特征光源的识别与定位

4.2.1 颜色空间转换与图像二值化

4.2.2 连通域分析

4.3 由三维点匹配估计位姿

4.4 定位算法总体结构

4.5 实验

4.5.1 未使用跟踪

4.5.2 使用跟踪

4.6 本章小结

第5章 基于立体视觉的地形图重建方法

5.1 引言

5.2 图像校正

5.3 立体匹配

5.3.1 局部匹配

5.3.2 立体匹配后处理

5.3.3 区域法立体匹配的加速方法

5.4 三维重建

5.4.1 空间点三维重建

5.4.2 数字地形图

5.5 实验

5.5.1 图像校正实验

5.5.2 立体匹配实验

5.5.3 三维重建实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

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致谢