基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量装置及方法

摘要

本发明提供了一种基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量装置及方法，在所述的装置中，运动模拟模块用于通过设置在挠性帆板上的预定数量的标志点模拟卫星太阳帆板的挠性运动状态，参数采集模块用于通过两个图像采集单元采集挠性帆板上的标志点的挠性运动状态参数，参数计算模块用于根据标志点的挠性运动状态参数计算获得所述卫星太阳帆板的挠性运动参数。本发明不会对卫星太阳帆板的运动产生干扰，还能够对卫星工作的电磁环境具有抗干扰能力，具有安装及计算过程简洁、计算速度较快的特点，还可用于计算太阳能帆板挠性运动参数，不仅计算精度较高，而且能够保证各个标志点的参数一致性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量装置及方法，属于航天器参数测量技术领域。

背景技术

现有的卫星太阳能帆板挠性运动参数测量装置主要采用压电传感器、加速度传感器、光栅和机器视觉四种方法进行测量。

例如，压电传感器测量装置是将压电传感器贴于卫星帆板两侧，当传感器中的电介质随帆板形变而受到压力时，会产生对应的电信号，根据电信号的大小来估计帆板挠性运动参数。由于采用多压电片测量帆板形变，对粘贴的精度要高，并且要求每片压电陶瓷片的参数一致，对压电片和粘贴提出了精度和一致性的要求，安装和应用不方便，尤其是对于大型柔性结构，使压电片布满整个结构并不容易实现。

又如，加速度传感器测量装置采用帆板采集节点处理器来监测帆板振动的方法。该处理器由加速度传感器、通道开关、A/D变换电路组成，其监测数据精度由A/D转换电路变换电路的位数决定。由于加速度传感器自身缺陷有易受电磁干扰和温度噪声影响，测量探头结构复杂、体积大以及布置空间易受限制。

再如，光栅测量装置中的纤芯内含有永久性空间相位光栅，当光栅受到拉伸、挤压及热变形时，检测光栅反射信号的变化。但光纤光栅作为振动传感器具有中心反射波长随温度发生漂移的问题，需要严格的温度补偿，以及精密的长度控制。同时，太阳帆板固有的冷胀热缩特性钳制了光纤光栅性能的提高。

最后，机器视觉测量装置采用摄像机或相机采集太阳帆板图像，提取图像特征，根据视觉成像几何关系计算太阳帆板上某物点的空间位置。但在已有的计算机视觉太阳帆板振动方法中，单目视觉对光标安装位置和形状有具体要求，超出其限制则无法求得振动信息；双目视觉方法需要根据内、外参数标定，以确定两台摄像机之间的相对坐标关系，在此基础上实时解算标志点三维坐标，计算模型复杂，精度要求高。

发明内容

本发明提出了一种基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量装置及方法，以解决现有的卫星太阳帆板挠性运动参数测量存在的计算精度较低、计算速度较慢、参数的一致性较差以及计算装置和测量装置的结构较复杂的问题，为此本发明采用如下的技术方案：

基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量装置，包括：运动模拟模块、参数采集模块和参数计算模块；

所述运动模拟模块用于通过设置在挠性帆板上的预定数量的标志点模拟卫星太阳帆板的挠性运动状态；

所述参数采集模块用于通过两个图像采集单元采集所述挠性帆板上的标志点的挠性运动状态参数；

所述参数计算模块用于根据所述标志点的挠性运动状态参数计算获得所述卫星太阳帆板的挠性运动参数。

基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量方法，包括：

将两个图像采集单元的成像面位于同一平面上，以一个图像采集单元的坐标系为世界坐标系；

确定两个所述图像采集单元之间的基线距离以及通过对所述图像采集单元进行标定以获得畸变参数；

通过两个所述图像采集单元实时采集预定数量的标志点的图像，并将两幅所述图像输出；

根据所述畸变参数对两幅所述图像进行畸变校正；

对经过畸变校正的图像进行二值化、特征提取和亚像素定位，以获取所述标志点在两幅所述图像中各自的图像物理坐标系的三维坐标；

根据所述图像物理坐标系的三维坐标计算获得两个所述图像采集单元的视差；

根据所述基线距离、所述图像物理坐标系的三维坐标和所述视差计算获得所述标志点在世界坐标系中的三维空间坐标。

本发明采用非接触的方式进行参数采集及处理，不会对卫星太阳帆板的运动产生干扰，还能够对卫星工作的电磁环境具有抗干扰能力；参数采集过程中采用的两个图像采集单元在系统搭建过程中只需要进行一次内参数标定，测量过程中无需进行标定，具有安装及计算过程简洁、计算速度较快的特点；通过计算获得的图像物理坐标系的三维坐标能够确定卫星太阳能帆板上的所有标志点的实时三维空间坐标，可用于计算太阳能帆板挠性运动参数，不仅计算精度较高，而且能够保证各个标志点的参数一致性。

附图说明

图1为本发明所述的基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量装置的结构示意图。

图2为运动模拟模块的结构示意图。

图3为本发明所述的基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量方法的流程示意图。

图4为本发明所述另一基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量方法的流程示意图。

图5为实施例一中的世界坐标系、图像采集坐标系和图像物理坐标系之间的关系示意图。

图6为实施例一中的图像像素坐标系与图像物理坐标系之间的关系示意图。

图7为实施例一中的双目视觉测量原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1和图2所示，本具体实施方式提出的基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量装置包括：运动模拟模块10、参数采集模块20和参数计算模块30；运动模拟模块10用于通过设置在挠性帆板11上的预定数量的标志点12模拟卫星太阳帆板的挠性运动状态；参数采集模块20用于通过两个图像采集单元21采集挠性帆板11上的标志点12的挠性运动状态参数；参数计算模块30用于根据标志点12的挠性运动状态参数计算获得所述卫星太阳帆板的挠性运动参数。

可选的，结合图1和图2所示，运动模拟模块10包括挠性帆板11、固定支架13和预定数量的标志点12，挠性帆板11通过固定支架13与卫星固定装置40连接，预定数量的标志点12以预定间隔设置在挠性帆板11上。

可选的，结合图1所示，每个图像采集单元21的光轴平行，成像面在一个平面上。

可选的，结合图1所示，参数采集模块20还包括两个辅助光源22，每个辅助光源22分别为一个图像采集单元21提供照明，以使挠性帆板11在运动到最大振幅时也能够使所有标志点12在每个图像采集单元21的视场范围内。

可选的，标志点12采用反光膜式标志点，并粘贴在挠性帆板11上。标志点12的几何形状为圆形，其数量可根据所述太阳能帆板的长度以及测量精度的要求进行调整。

可选的，结合图1所示，参数采集模块20还包括基座23，基座23用于固定两个图像采集单元21和两个辅助光源22。

可选的，结合图1所示，参数计算模块30包括信号转换单元31和参数计算单元32，信号转换单元31用于将参数采集模块20采集的图像信号转换为数字信号并发送，参数计算单元32用于接收并根据所述数字信号计算获得所述卫星太阳帆板的挠性运动参数。

可选的，参数计算单元32包括坐标计算子单元，所述坐标计算子单元用于根据预定标志点12在参数采集模块20所在的世界坐标系中的三维坐标计算获得所述卫星太阳帆板的挠性运动参数。

结合图3所示，本具体实施方式提出的基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量方法包括：

步骤31，将两个图像采集单元的成像面位于同一平面上，以一个图像采集单元的坐标系为世界坐标系；

步骤32，确定两个所图像采集单元之间的基线距离以及通过对图像采集单元进行标定以获得畸变参数；

步骤33，通过两个图像采集单元实时采集预定数量的标志点的图像，并将两幅图像输出；

步骤34，根据畸变参数对两幅图像进行畸变校正；

步骤35，对经过畸变校正的图像进行二值化、特征提取和亚像素定位，以获取标志点在两幅图像中各自的图像物理坐标系的二维坐标；

步骤36，根据所图像物理坐标系的三维坐标计算获得两个图像采集单元的视差；

步骤37，根据基线距离、图像物理坐标系的二维坐标和视差计算获得标志点在世界坐标系中的三维空间坐标。

其中，在步骤35中，二值化可采用最大类间方差法，特征提取可采用8邻域区域生长法提取标志点特征像素，亚像素定位可采用重心法对标志点进行亚像素高精度定位。

可选的，结合图4所示，所述测量方法还包括：

步骤38，根据两个图像采集单元实时采集的所有标志点的图像确定所有标志点的实时三维空间坐标，将实时三维空间坐标通过系统辨识及解耦后确定的挠性运动参数对卫星太阳帆板进行振动模态的分析。

采用该测量方法仅需进行一次图像采集单元的内参数标定即可获得所述卫星太阳帆板的挠性运动参数。

下面通过具体的实施例对本发明提出的基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量装置进行详细说明。

实施例一

结合图1和图2以及图5至图7所示，本实施例提出的基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量装置包括：运动模拟模块10、参数采集模块20和参数计算模块30；运动模拟模块10用于通过设置在挠性帆板11上的预定数量的标志点12模拟卫星太阳帆板的挠性运动状态；参数采集模块20用于通过两个图像采集单元21采集挠性帆板11上的标志点12的挠性运动状态参数；参数计算模块30用于根据标志点12的挠性运动状态参数计算获得所述卫星太阳帆板的挠性运动参数。在运动模拟模块10中，挠性帆板11通过固定支架13与卫星固定装置40连接，预定数量的标志点12以预定间隔设置在挠性帆板11上；在参数采集模块20中，每个图像采集单元21的光轴均与静止状态的挠性帆板11所在的平面垂直，每个辅助光源22分别为一个图像采集单元21提供照明，基座23用于固定两个图像采集单元21和两个辅助光源22；在参数计算模块30中，信号转换单元31用于将参数采集模块20采集的图像信号转换为数字信号并发送，参数计算单元32用于接收并根据所述数字信号计算获得所述卫星太阳帆板的挠性运动参数。

本实施例提供的测量装置在计算所述卫星太阳帆板的挠性运动参数的过程中用到三个坐标系，分别为世界坐标系(Ow)、图像采集坐标系(Oc)、图像物理坐标系(O)，三者之间的关系如图5所示。其中，P点为空间中的一个标志点，p点为该标志点在图像采集单元21的成像面上所成的像点，P点的位置可由图像物理坐标系表示为p(x,y)。OcZc为图像采集单元21的光轴，光轴穿过成像面中心O点。

在本实施例中，标志点的数量为六个，并且可以分别在挠性帆板11悬端、中间及靠近固定支架13的位置各设置两个标志点12。

本实施例提供的测量装置在完成测量工作时，图像采集单元21实时采集每个标志点12的图像，采集的图像经畸变校正、二值化、求质心等处理得到标志点的图像像素坐标系坐标(u,v)。

图像像素坐标(u,v)和图像物理坐标p(x,y)都是描述图像采集单元21的成像面的坐标系，区别在于图像像素坐标(u,v)以像素为单位，而图像物理坐标系p(x,y)以μ米为单位，且两者原心不同，如图6所示，O₀为图像像素坐标系原心，是图像物理坐标系原心。图6中的uO₀v为像素坐标系，xO₁y为物理坐标系。

在本实施例中，图像像素坐标和图像物理坐标具有如下转换关系：

其中，u₀和v₀分别为图像采集单元21的成像面中心点O的像素坐标位置。dx和dy分别是图像采集单元21的单个像元的物理长度和宽度。因此，由标志点12在图像像素坐标系中的坐标(u,v)可确定其在图像物理坐标系中的坐标(x,y)。

本实施例提供的测量装置在完成测量工作时，两个图像采集单元21同时采集某个标志点P的图像，按上述原理得到该标志点P在两个图像采集单元21中的图像物理坐标系的二维坐标，分别为p_left＝(X_left,Y_left)和p_right＝(X_right,Y_right)。

基于图6所示的双目视觉测量原理，由于两个图像采集单元安装在同一平面上，则有Y_left＝Y_right＝Y，并且由三角几何关系可以得到：

设两个图像采集单元21的投影中心连线距离(基线距离)为B，则有视差D＝X_left-X_right。由此可以计算出该标志点P在左侧图像采集单元21的图像采集坐标系下的三维坐标：

假设世界坐标系与左侧图像采集单元21的图像采集坐标系相同，则得到该标志点P的实时世界坐标系坐标。

采用本实施例提出的基于双目立体视觉的卫星太阳帆板挠性运动参数测量装置，采用非接触的方式进行参数采集及处理，不会对卫星太阳帆板的运动产生干扰，还能够对卫星工作的电磁环境具有抗干扰能力；参数采集过程中采用的两个图像采集单元在系统搭建过程中只需要进行一次内参数标定，测量过程中无需进行标定，具有安装及计算过程简洁、计算速度较快的特点；通过计算获得的图像物理坐标系的三维坐标能够确定卫星太阳能帆板上的所有标志点的实时三维空间坐标，可用于计算太阳能帆板挠性运动参数，不仅计算精度较高，而且能够保证各个标志点的参数一致性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。