空间舱内飞行器视觉定位系统研究与设计

摘要

移动机器人的视觉定位是计算机视觉和人工智能领域的一项关键技术，是实现机器人行为决策和自主运动的前提。如果没有定位，机器人不知道它们在哪，要去哪，机器人的自主控制就无从谈起。对视觉定位技术的研究，有助于提高机器人的智能化水平和作业水平。
　　本文以空间舱内飞行器为对象，研究和设计了一种基于靶标的单目视觉定位系统，它可以通过摄像机采集实际场景的图像，利用图像处理和分析技术，实现自定位，从而辅助舱内飞行器的决策系统实现运动控制，完成科学实验和空间任务。利用视觉技术参与空间舱内飞行器的设计，既延伸了机器视觉的应用，又可推动我国空间科学技术的发展。
　　本文开展了以下的研究工作:
　　(1)回顾和总结了空间舱内飞行器系统和视觉定位技术的研究现状，提出了一种单目视觉定位的系统框架，并对系统的设计和工作流程进行了说明。该框架从图像处理和视觉测量的角度出发，包含图像采集、摄像机标定、目标检测、三维位姿测量等模块。
　　(2)对于视觉测量的理论基础—摄像机透视投影模型进行了研究，并应用基于2D平面靶标的摄像机标定方法求解摄像机成像模型的内外参数，给出了实验结果。
　　(3)研究并实现了基于SIFT的目标检测，包括靶标的设计、特征提取、图像匹配、RANSAC算法建模等。为了提高目标检测的实时性，在特征匹配阶段还进行了优化处理，减少了计算冗余。
　　(4)提出了一种呈矩形分布的P4P问题的求解方法，利用特征点的三维坐标及其在像平面的对应，通过基于特征的位姿测量的方法实现了目标的视觉定位，并给出了具体的计算过程。
　　本文所研究的单目视觉定位系统也可以应用于其他对视觉测量有需求的场合。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 空间舱内飞行器的应用

1．2．2 机器人视觉技术

1．2．3 基于靶标的单目视觉定位

1．3 本文研究的主要内容和章节安排

第2章 视觉定位系统结构与设计

2．1 视觉定位系统的组成

2．1．1 系统硬件配置

2．1．2 软件系统设计

2．2 视觉定位系统运行流程

2．3 本章小结

第3章 摄像机标定

3．1 坐标系的设定

3．2 摄像机透视投影模型

3．3 摄像机标定

3．3．1 靶标平面与其图像平面之间的映射矩阵

3．3．2 求解摄像机参数矩阵

3．4 摄像机标定实验

3．5 本章小结

第4章 目标检测

4．1 靶标的设计

4．2 靶标的检测

4．2．1 图像预处理

4．2．2 SIFT特征提取

4．2．3 SIFT特征匹配

4．2．4 图像间映射矩阵的求解

4．2．5 模式图像中靶标控制点坐标的获取

4．3 目标检测实验

4．4 本章小结

第5章 目标的三维位姿测量

5．1 三维位姿解算问题描述

5．2 呈矩形分布的P4P问题的三维位姿解算方法

5．3 目标定位实验

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢