一种全局特征与局部特征结合的视觉测量系统及测量方法

摘要

本发明涉及一种全局特征与局部特征结合的视觉测量系统及测量方法，包括平台双目相机、机械臂、机械臂手眼相机、星载计算机。平台双目相机安装在卫星本体的固定位置上；机械臂手眼相机安装在机械臂前端；机械臂未展开时机械臂手眼相机被固定在卫星本体的固定位置上；机械臂根部安装在卫星本体的固定位置上；机械臂手眼相机后端粘贴漫反射合作目标标志点。星载计算机安装在卫星本体上，可以控制卫星本体自身的运动。星载计算机通过电子线路和平台双目相机、机械臂手眼相机相连接；星载计算机通过电子线路和机械臂相连，可以控制机械臂的运动。本发明能够覆盖远近超近工作距离，实现高精度的面向非合作卫星目标的视觉测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种视觉测量系统及测量方法，尤其适用于非合作卫星目标 的位置和姿态计算。

背景技术

空间非合作卫星目标的接近和抓捕需要很高的稳定性和精确性，接近时 需要工作距离较远的敏感器，抓捕时则需要超近距离工作的敏感器。传统的 两种敏感器独立工作方式受非合作目标特征不稳定的影响，每个敏感器都不 能提供高精度的测量值，同时也很难覆盖远近以及超近所有工作距离。

“非合作航天器的相对位姿测量”(光学精密工程，2009年7期)提出了基 于立体视觉的位姿(位置和姿态)测量方法，为对非合作目标进行跟踪、接近 提供测量数据支持，并提出了变焦相机的方法来扩大测量范围。但由于变焦 相机的焦距值变化较大，对于测量相机的稳定性有很大影响，降低了测量的 精度。

中国专利CN102538793A名称为一种双基线非合作目标双目测量系统采用 长短基线双目相机分别覆盖所测量区域的远近距离范围，在不同距离下使用 不同的双目相机来提供测量数据。由于每对双目相机的工作距离不同，独立 工作时都受到目标特性的影响，两对双目相机输出的测量值的精度都较低。

中国专利CN102914262A名称为一种基于附加视距的非合作目标贴近测量 方法，使用激光测距的方法来辅助双目视觉测量方式，提高双目视觉的精度。 但在不同距离工作时，双目视觉受自身视场和焦距的影响，不能在所有距离 上都输出高精度的测量数据。

空间非合作目标的接近和抓捕需要不同的工作距离下稳定精确的测量 值，以上专利所述的方法都沿用多个敏感器独立工作的方法，很难覆盖所有 工作距离的同时提供高精度的数据，不能满足非合作目标测量的需求。

发明内容

本发明的技术解决为问题是：克服现有技术的不足，提供一种全局特征 与局部特征结合的视觉测量系统及测量方法，覆盖远近超近工作距离，实现 高精度的面向非合作目标的视觉测量。

本发明的技术解决方案是：一种全局特征与局部特征结合的视觉测量系 统，包括平台双目相机、机械臂、机械臂手眼相机、星载计算机。平台双目 相机安装在卫星本体的固定位置上；机械臂手眼相机安装在机械臂前端，未 展开时固定在卫星本体的固定位置上；机械臂根部安装在卫星本体的固定位 置上。机械臂手眼相机后端粘贴漫反射合作目标标志点。星载计算机安装在 卫星本体上，可以控制卫星本体自身的运动。星载计算机通过电子线路和平 台双目相机、机械臂手眼相机相连接，同时星载计算机通过电子线路和机械 臂相连，可以控制机械臂的运动。

所述的平台双目相机由左右两台相机组成；左右两台相机焦距18-25mm， 视场30-60度(全视场)；左右两台相机相距0.6m-1m安装于一条基线上， 左右相机内凑角为10-14度。

所述机械臂手眼双目相机由左右两台相机组成；左右两台相机焦距 8-10mm，视场80-100度(全视场)；左右两台相机相距0.25m-0.3m安装于 一条基线上，左右相机内凑角为40-50度，并安装在机械臂前端。

一种全局特征与局部特征结合的视觉测量方法，其特征在于实现步骤如 下：

(1)对平台双目相机、机械臂、机械臂手眼相机的在相互坐标系下的位 置进行标定，对机械臂手眼相机后端粘贴的合作目标标志点在机械臂手眼相 机坐标系下的位置进行标定；

(2)距离非合作卫星目标1.8m以上(远距离)工作时，平台双目相机 和机械臂手眼相机对非合作卫星目标的全局特征进行提取，传输给星载计算 机进行姿态计算。星载计算机计算得到位置姿态数据后控制卫星本体向非合 作卫星目标进行接近；

(3)距离非合作卫星目标1.8m到1.2m之间(近距离)，平台双目相机 对非合作卫星目标的全局特征进行识别，同时机械臂手眼双目对非合作卫星 目标的局部特征进行识别，两者将识别结果传输给星载计算机；星载计算机 计算得到位置姿态数据后控制卫星本体向非合作卫星目标进行接近；

(4)距离非合作卫星目标1.2m到0m之间(超近距离)，机械臂手眼相 机位于平台双目的视场内，平台双目相机对机械臂手眼相机后端的合作目标 标志点进行识别，传输给星载计算机计算机械臂前端的位置姿态；同时机械 臂将自身的控制信息传输到星载计算机；星载计算机将机械臂的数据和平台 双目计算得到的数据作对比，对机械臂的各个关节运行做标定，提高机械臂 的精度和稳定度；

(5)距离非合作卫星目标1.2m到0m之间，平台双目相机对非合作卫 星目标的全局特征进行识别，将识别结果传输给星载计算机；星载计算机计 算位置姿态后控制卫星本体在和非合作卫星目标保持位置和姿态；同时机械 臂开始工作，伸展开来接近非合作卫星目标进行操作，机械臂手眼相机对非 合作卫星目标的局部特征进行识别并传输给星载计算机；星载计算机计算得 到相对位置姿态后控制机械臂运动对非合作卫星目标上的特定目标进行抓 捕。

所述步骤(2)中的距离非合作卫星目标1.8m以上工作时，平台双目相 机和机械臂手眼双目相机联合测量的精度达到距离误差小于实际距离的1％， 角度误差1度以内。

所述步骤(3)距离非合作卫星目标1.8m到1.2m之间工作时，平台双 目相机和机械臂手眼双目相机联合测量的距离误差小于0.014m，角度误差 0.5度以内。

所述步骤(4)距离非合作卫星目标1.2m到0m之间工作时，平台双目 相机用于标定时测量误差小于0.002m。

所述步骤(4)中的合作目标标志点为漫反射标志点。

所述步骤(5)中的特征目标包括星箭对接环、喷管目标。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明设计的测量系统和现有技术相比可以覆盖远近超近各个工作 距离，稳定的输出测量信息。本发明使用的平台双目相机和机械臂手眼双目 相机基线、视场和焦距不同，可以覆盖远近不同的工作距离。另外机械臂手 眼相机位于机械臂前端，当机械臂展开时，机械臂手眼相机的活动范围增大， 可以覆盖更多的工作距离。

(2)平台双目和机械臂手眼双目两个敏感器协同工作，输出高精度的测 量信息。在测量系统工作时，平台双目和手眼双目为彼此提供补充测量信息， 而且由于两者的空间位置不变，计算时可以直接使用两个敏感器得到的信息， 提高测量的精度和稳定性。

(3)本发明可以在机械臂运行中对机械臂各个关节进行标定，提高了机 械臂的精度。

(4)本发明和现有技术相比可以对局部特征对称性强的目标进行识别。 相对于其他单独工作的双目视觉系统，局部特征和全局特征结合的方式可以 有效避免非合作卫星目标上对接环、喷管等圆形特征的对称性带来的歧义， 消除测量数据的错误和误差。

附图说明

图1为本发明测量系统整体安装结构图；

图2为本发明中机械臂手眼双目合作目标标志点分布图。

具体实施方式

如图1所示，平台双目相机2安装在卫星本体1的固定位置上；机械臂 手眼相机3安装在机械臂4前端，机械臂4未展开时机械臂手眼相机3固定 在卫星本体的固定位置上；机械臂4根部安装在卫星本体1的固定位置上。 机械臂手眼相机3后端粘贴漫反射合作目标标志点。星载计算机5安装在卫 星本体1上，可以控制卫星本体1自身的运动。星载计算机5通过电子线路6、 7和平台双目相机2、机械臂手眼相机3相连接；星载计算机5通过电子线路 8和机械臂4相连，可以控制机械臂4的运动。

对平台双目相机2、机械臂4、机械臂手眼相机3的在相互坐标系下的位 置进行标定。对机械臂手眼相机3后端粘贴的合作目标标志点12在机械臂手 眼相机3坐标系下的位置进行标定。平台双目相机2坐标系原点定义在平台 双目相机2基线上的基准镜；机械臂4坐标系原点定义在机械臂根部；机械 臂手眼相机3原点定义在机械臂手眼相机3基线上的基准镜。

距离非合作卫星目标1.8m以上(远距离)工作时，平台双目相机2和机 械臂手眼相机3对非合作卫星目标的全局特征进行提取，通过电子线路6、7 传输给星载计算机5。星载计算机5进行姿态计算后控制卫星本体1向非合作 卫星目标进行接近。

距离非合作卫星目标1.8m到1.2m之间(近距离)工作时，平台双目相 机2对非合作卫星目标的全局特征进行识别，机械臂手眼双目3对非合作卫 星目标的局部特征进行识别。两者将识别的结果传输给星载计算机5。星载计 算机5进行位置姿态计算后控制卫星本体1向非合作卫星目标进行接近。

距离非合作卫星目标1.2m到0m之间(超近距离)工作时，机械臂手眼 相机3位于平台双目2的视场内，平台双目可以对机械臂手眼相机后端的合 作目标标志点12进行识别，将识别结果传输给星载计算机5。星载计算机5 计算位置和姿态。同时机械臂4将其自身控制数据发送给星载计算机5。星载 计算机5将平台双目2的数据和机械臂4的数据作对比后对机械臂4的各个 关节运行做标定，提高机械臂4的精度和稳定度。

如图2所示，机械臂手眼相机3(其中：9为左相机，10为右相机)后 端的合作目标标志点12为标定专用的漫反射标志点，粘贴的位置位于机械臂 套筒11的两侧的固定位置上，粘贴位置为非对称式，在识别过程中不会造成 歧义。所有合作目标标志点的三维位置都事先在地面进行标定，并将参数放 置于计算模块的列表中。

距离非合作卫星目标1.2m到0m之间(超近距离)工作时，平台双目相 机2对非合作卫星目标的全局特征进行识别，将识别结果传输给星载计算机 5。星载计算机5计算得到位置姿态数据后控制卫星本体1在和非合作卫星目 标保持一定的位置和姿态。同时机械臂4开始工作，伸展开来接近非合作卫 星目标并对其进行操作，机械臂手眼相机3对非合作卫星目标的局部特征进 行识别，将识别结果传输给星载计算机5。星载计算机5计算得到位置姿态数 据后控制机械臂3对非合作卫星目标上的特定目标(如星箭对接环、喷管等 目标)进行抓捕。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。