一種全局特征與局部特征結合的視覺測量系統及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種視覺測量系統及測量方法，尤其適用于非合作衛星目標的位置和姿態計算。
【背景技術】
[0002]空間非合作衛星目標的接近和抓捕需要很高的穩定性和精確性，接近時需要工作距離較遠的敏感器，抓捕時則需要超近距離工作的敏感器。傳統的兩種敏感器獨立工作方式受非合作目標特征不穩定的影響，每個敏感器都不能提供高精度的測量值，同時也很難覆蓋遠近以及超近所有工作距離。
[0003]“非合作航天器的相對位姿測量”(光學精密工程，2009年7期)提出了基于立體視覺的位姿(位置和姿態)測量方法，為對非合作目標進行跟蹤、接近提供測量數據支持，并提出了變焦相機的方法來擴大測量范圍。但由于變焦相機的焦距值變化較大，對于測量相機的穩定性有很大影響，降低了測量的精度。
[0004]中國專利CN102538793A名稱為一種雙基線非合作目標雙目測量系統采用長短基線雙目相機分別覆蓋所測量區域的遠近距離范圍，在不同距離下使用不同的雙目相機來提供測量數據。由于每對雙目相機的工作距離不同，獨立工作時都受到目標特性的影響，兩對雙目相機輸出的測量值的精度都較低。
[0005]中國專利CN102914262A名稱為一種基于附加視距的非合作目標貼近測量方法，使用激光測距的方法來輔助雙目視覺測量方式，提高雙目視覺的精度。但在不同距離工作時，雙目視覺受自身視場和焦距的影響，不能在所有距離上都輸出高精度的測量數據。
[0006]空間非合作目標的接近和抓捕需要不同的工作距離下穩定精確的測量值，以上專利所述的方法都沿用多個敏感器獨立工作的方法，很難覆蓋所有工作距離的同時提供高精度的數據，不能滿足非合作目標測量的需求。
【發明內容】
[0007]本發明的技術解決為問題是:克服現有技術的不足，提供一種全局特征與局部特征結合的視覺測量系統及測量方法，覆蓋遠近超近工作距離，實現高精度的面向非合作目標的視覺測量。
[0008]本發明的技術解決方案是:一種全局特征與局部特征結合的視覺測量系統，包括平臺雙目相機、機械臂、機械臂手眼相機、星載計算機。平臺雙目相機安裝在衛星本體的固定位置上；機械臂手眼相機安裝在機械臂前端，未展開時固定在衛星本體的固定位置上；機械臂根部安裝在衛星本體的固定位置上。機械臂手眼相機后端粘貼漫反射合作目標標志點。星載計算機安裝在衛星本體上，可以控制衛星本體自身的運動。星載計算機通過電子線路和平臺雙目相機、機械臂手眼相機相連接，同時星載計算機通過電子線路和機械臂相連，可以控制機械臂的運動。
[0009]所述的平臺雙目相機由左右兩臺相機組成；左右兩臺相機焦距18-25mm，視場30-60度(全視場)；左右兩臺相機相距0.6m-lm安裝于一條基線上，左右相機內湊角為10-14 度。
[0010]所述機械臂手眼雙目相機由左右兩臺相機組成；左右兩臺相機焦距8-10mm，視場80-100度(全視場)；左右兩臺相機相距0.25m-0.3m安裝于一條基線上，左右相機內湊角為40-50度，并安裝在機械臂前端。
[0011]—種全局特征與局部特征結合的視覺測量方法，其特征在于實現步驟如下:
[0012](I)對平臺雙目相機、機械臂、機械臂手眼相機的在相互坐標系下的位置進行標定，對機械臂手眼相機后端粘貼的合作目標標志點在機械臂手眼相機坐標系下的位置進行標定；
[0013](2)距離非合作衛星目標1.Sm以上(遠距離)工作時，平臺雙目相機和機械臂手眼相機對非合作衛星目標的全局特征進行提取，傳輸給星載計算機進行姿態計算。星載計算機計算得到位置姿態數據后控制衛星本體向非合作衛星目標進行接近；
[0014](3)距離非合作衛星目標1.Sm到1.2m之間(近距離)，平臺雙目相機對非合作衛星目標的全局特征進行識別，同時機械臂手眼雙目對非合作衛星目標的局部特征進行識另O，兩者將識別結果傳輸給星載計算機；星載計算機計算得到位置姿態數據后控制衛星本體向非合作衛星目標進行接近；
[0015](4)距離非合作衛星目標1.2m到Om之間(超近距離)，機械臂手眼相機位于平臺雙目的視場內，平臺雙目相機對機械臂手眼相機后端的合作目標標志點進行識別，傳輸給星載計算機計算機械臂前端的位置姿態；同時機械臂將自身的控制信息傳輸到星載計算機；星載計算機將機械臂的數據和平臺雙目計算得到的數據作對比，對機械臂的各個關節運行做標定，提尚機械臂的精度和穩定度；
[0016](5)距離非合作衛星目標1.2m到Om之間，平臺雙目相機對非合作衛星目標的全局特征進行識別，將識別結果傳輸給星載計算機；星載計算機計算位置姿態后控制衛星本體在和非合作衛星目標保持位置和姿態；同時機械臂開始工作，伸展開來接近非合作衛星目標進行操作，機械臂手眼相機對非合作衛星目標的局部特征進行識別并傳輸給星載計算機；星載計算機計算得到相對位置姿態后控制機械臂運動對非合作衛星目標上的特定目標進行抓捕。
[0017]所述步驟(2)中的距離非合作衛星目標1.8m以上工作時，平臺雙目相機和機械臂手眼雙目相機聯合測量的精度達到距離誤差小于實際距離的1%，角度誤差I度以內。
[0018]所述步驟(3)距離非合作衛星目標1.Sm到1.2m之間工作時，平臺雙目相機和機械臂手眼雙目相機聯合測量的距離誤差小于0.014m，角度誤差0.5度以內。
[0019]所述步驟(4)距離非合作衛星目標1.2m到Om之間工作時，平臺雙目相機用于標定時測量誤差小于0.002m。
[0020]所述步驟(4)中的合作目標標志點為漫反射標志點。
[0021]所述步驟(5)中的特征目標包括星箭對接環、噴管目標。
[0022]本發明與現有技術相比有益效果為:
[0023](I)本發明設計的測量系統和現有技術相比可以覆蓋遠近超近各個工作距離，穩定的輸出測量信息。本發明使用的平臺雙目相機和機械臂手眼雙目相機基線、視場和焦距不同，可以覆蓋遠近不同的工作距離。另外機械臂手眼相機位于機械臂前端，當機械臂展開時，機械臂手眼相機的活動范圍增大，可以覆蓋更多的工作距離。
[0024](2)平臺雙目和機械臂手眼雙目兩個敏感器協同工作，輸出高精度的測量信息。在測量系統工作時，平臺雙目和手眼雙目為彼此提供補充測量信息，而且由于兩者的空間位置不變，計算時可以直接使用兩個敏感器得到的信息，提高測量的精度和穩定性。
[0025](3)本發明可以在機械臂運行中對機械臂各個關節進行標定，提高了機械臂的精度。
[0026](4)本發明和現有技術相比可以對局部特征對稱性強的目標進行識別。相對于其他單獨工作的雙目視覺系統，局部特征和全局特征結合的方式可以有效避免非合作衛星目標上對接環、噴管等圓形特征的對稱性帶來的歧義，消除測量數據的錯誤和誤差。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明測量系統整體安裝結構圖；
[0028]圖2為本發明中機械臂手眼雙目合作目標標志點分布圖。
【具體實施方式】
[0029]如圖1所示，平臺雙目相機2安裝在衛星本體I的固定位置上；機械臂手眼相機3安裝在機械臂4前端，機械臂4未展開時機械臂手眼相機3固定在衛星本體的固定位置上；機械臂4根部安裝在衛星本體I的固定位置上。機械臂手眼相機3后端粘貼漫反射合作目標標志點。星載計算機5安裝在衛星本體I上，可以控制衛星本體I自身的運動。星載計算機5通過電子線路6、7和平臺雙目相機