基于2D/3D融合的非合作目标位姿测量系统研究与实现

摘要

位姿测量即是获取待测目标的位置和姿态三维信息，基于视觉的位姿测量方法具有系统结构简单、部署方便、非接触的优点，因而，广泛应用于工业控制、现代导航、在轨服务和交会对接、医学等领域。本文针对非合作目标，在传统视觉测量技术基础上，研究并实现了一种基于2D/3D融合的非合作目标位姿测量系统。
　　论文的主要工作如下：
　　(1)概述了非合作目标位姿测量系统技术研究现状，在此基础上，深入研究分析了TOF相机的原理和数学模型实现了基于Halcon标定板的2D和TOF相机内外参数的标定和TOF距离标定实验。
　　(2)设计实现了基于2D/3D融合的非合作位姿测量方法，该方法通过实验场景下非合作目标上圆环成像椭圆特征的检测和提取，得到成像椭圆参数进而求解位姿，并利用2D/3D配准融合解决了利用圆环特征求解位姿存在二义性的问题，最终获得正确的目标位姿参数。实验结果表明，测量系统能够快速有效获得非合作目标的位姿参数；
　　(3)设计并搭建了位姿测量软硬件实验系统，编程实现了基于2D/3D融合的非合作目标位姿测量系统软件，包括数据采集和位姿解算模块，并通过搭建的软硬件平台对本文的位姿测量系统进行有效性和可行性验证。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源与意义

1．2 相关技术领域国内外研究现状及分析

1．2．1 位姿测量技术现状

1．2．2 视觉位姿测量的研究现状及分析

1．2．3 非合作目标位姿测量技术的现状分析

1．3 论文的主要工作和章节安排

第二章 位姿测量系统的方案设计

2．1 引言

2．2 测量系统总体结构方案

2．2．1 TOF相机原理

2．2．2 2D／3D相机系统

2．2．3 高精度实验电移动平台

2．3 测量系统实验方案和系统框架

2．3．1 实验方案设计

2．3．2 测量系统坐标系设定

2．3．3 软件系统框架设计

2．4 本章小结

第三章 基于2D／3D融合的位姿测量系统

3．1 引言

3．2 2D／3D相机系统的标定

3．2．1 摄像机成像模型

3．2．2 TOF相机的标定

3．2．3 基于Halcon标定板的相机标定

3．3 基于2D／3D融合的位姿测量方法

3．3．1 图像配准融合

3．3．2 椭圆特征检测提取

3．3．3 空间目标位姿求解

3．3．4 二义性消除

3．4 本章小结

第四章 测量系统实验结果及分析

4．1 引言

4．2 测量系统软件平台设计

4．2．1 数据采集存储软件

4．2．2 位姿解算软件

4．3 实验系统搭建与调试

4．3．1 PMD距离标定实验

4．3．2 相机标定和配准实验

4．4 实验过程和结果分析

4．4．1 椭圆提取实验

4．4．2 平移位置实验

4．4．3 旋转角度实验

4．4．4 误差分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间学术活动及成果情况