基于正交柱面成像的空间物体位姿精密测量

针对航空、航天等领域大型装备组装对接过程中的大尺度空间物体实时的位姿测量需求,对现有基于面阵成像器件摄影测量系统的二维测角功能进行分解与重构,提出一种基于正交柱面成像的位姿测量新方法。该方法充分发挥线阵CCD器件一维角度分辨率高、采集速度快、处理简便等优势,以正交柱面成像光路简化了相机结构,并采用非参数标定方法校正了柱面成像畸变。针对空间物体姿态测量的坐标同步问题,研究了基于扩展卡尔曼预测的实时识别跟踪方法,实现了多个目标并行测量,并通过基于Rodrigues参数的姿态解算模型实现了实时姿态测量。实验结果表明,该测量方法得到的空间点三维坐标测量精度优于0.5mm,空间物体姿态解算在偏航、横滚、俯仰三个方向的最大测量误差分别为0.20°,0.12°,0.23°,具有较高的姿态测量精度。     

基于弱透视成像模型的目标三维姿态测量

为了准确获取空间目标跟踪、视觉导航等领域中目标的三维姿态,进行了目标三维姿态单目视觉测量方法研究.提取图像目标的典型特征点构造出直角三角形,并通过其边长比例先验信息以及弱透视成像模型推导出目标三维姿态的单目解算算法.与传统测姿方法相比,该算法在相机焦距等内参量未知条件下依然可解算姿态,增大了测姿应用范围;与传统迭代测姿方法相比,避免了循环迭代求解过程,无需设置迭代初值,提高了解算效率.数值仿真试验结果表明目标在离相机1~3km成像时姿态测量误差低于1.5°;实际图像序列测量结果表明目标俯仰角和偏航角测量结果拟合残差小于1°,翻滚角拟合残差小于2°.实验验证了算法的正确性和稳定性,表明该算法在内参量未知条件下能有效测量中远距离成像目标三维姿态.     

基于单目视觉的航天器位姿测量

鉴于实时高精度航天器位姿测量不仅是航天器实时监控和跟踪的重要技术保证,同时也是实时调整和补偿航天器姿态的主要依据,提出一种基于单目视觉的航天器实时位姿测量方法,利用高精度旋转平台几何摄像机的方式对被测目标进行位姿解算。该方法不需要对被测目标进行几何约束,同时也不用进行转站测量,因而可以进行动态实时的在线位姿检测。航天器位姿实验结果表明:该单目视觉测量方法姿态测量误差小于0.05°,位置测量误差小于0.02 m,满足实际工程0.1°和0.05 m的精度需求。     

空间非合作目标的三目立体视觉测量方法

针对在轨服务任务如何在近距离处获取空间非合作目标的相对位置和姿态的难题,提出一种三目立体视觉测量方法。首先利用三台呈等边三角形布置的大视场可见光相机获取图像;然后采用所提方法对特征点进行匹配;接着采用RANSAC方法解算被测目标在世界坐标系下的位姿参数;最后通过对非合作卫星模型的静止、位置移动和姿态转动进行实验。实验结果表明,静止状态下的相对位置精度优于2.2 mm,相对角度测量精度优于0.3°;当模型位置移动时,绝对位置精度优于3 mm;当模型姿态转动时,相对位置精度优于5.6 mm,相对角度测量精度优于1.7°,说明所提方法可以改善双目立体视觉技术在测量角度大的区域易出现测量盲区、特征点定位误匹配和测量视场有限的不足。     

基于单PSD的目标空间位姿测量方法

为了克服图像传感器在位姿测量中存在响应速度与精度相互制约以及相应图像处理算法复杂的缺陷,提出一种基于单个位置敏感探测器的目标空间位姿测量方法.首先建立以位置敏感探测器光敏面中心为原点的传感器坐标系并在该坐标系下定义空间姿态角,然后将合作目标上8个循环交替点亮的红外LED光源作为探测对象,特征发光点经过会聚镜头成像于探测器光敏面上,经信号处理得到各点二维像坐标,并结合光源相对位置关系最终解算得到目标在传感器坐标系下的空间位置和姿态.在对系统稳定性进行验证后完成了位置平移与角度旋转的测量实验.实验结果表明:提出的方法在视场角为16.3°的范围内探测距离可达10m,沿深度方向的位置测量绝对误差最大为36.2mm,其他方向位置测量平均绝对误差最大为7.1mm,角度测量绝对误差优于2°.该方法解算过程简单、实时性强,测量更新频率为100Hz,可以满足位姿检测的高速要求.     

一种面向空间非合作目标位姿测量应用的三维点云滤波算法

针对激光位姿敏感器获得的原始点云有噪声和直接参与解算消耗星上计算资源过大问题,给出一种适用于空间非合作目标位姿测量的点云滤波和特征提取算法。应用仿真的方法分别验证了算法滤除空间随机噪声和点云降采样的有效性,验证了特征点对目标位姿变化和高斯测量噪声的鲁棒性。在非合作目标绕飞、抵近、捕获全物理试验平台上,以扫描激光位姿敏感器获得的原始点云数据为输入,验证了算法在实际空间目标位姿测量中的性能。试验结果表明,该算法实现了原始点云93.1%的降采样,节省了92.9%的位姿解算时间,可有效提升星上数据处理的效率和姿态解算的实时性。     

一种基于特征点间线段倾角的姿态测量方法

基于目标特征点间线段倾角信息,提出了一种适合于目标远距离成像和相机内参未知条件下解算目标姿态的目标3维姿态测量方法.采用仿真图像对该方法的正确性进行了验证.实验结果:姿态测量误差绝对值均值小于0.6°,且目标成像尺寸为350pixel时,姿态测量误差绝对值小于0.5°.实验表明该算法具有较高解算准确度和较强的收敛性.     

基于无衍射探针的空间坐标测量及其不确定度分析

针对长跨度大尺度零部件空间坐标的精确测量过程中,常因空间阻隔、遮挡、被测点凹陷等因素导致隐藏特征区难以甚至无法直接进行光学测量的问题;将具有定心精度高、无离焦、无畸变和抗背景干扰能力强等特性的无衍射光,引入到探针法姿态测量系统中,提出了一种能与全站仪构成组合测量系统的无衍射光测量探针;建立了空间坐标测量系统的模型,研制了测量样机,分析了空间位置测量的不确定度,并进行了相关的对比测量实验;结果表明,基于无衍射光姿态测量探针具有1 mrad的空间姿态测量精度,与全站仪构成组合测量系统在大尺度空间坐标的测量中具有毫米级的测量精度和良好的柔性。     

多摄像机空间交会动态测量中遮挡问题的研究

遮挡问题是现有多摄像机测量网络在进行空间交会测量时存在的一个重要问题。当测量过程中有遮挡发生时,某些特征点可能仅能被一个像机观测到,传统的前方交会测量方法将不再可行。为了解决这一问题,通过特征点的几何约束来求解特征点位在全局坐标系下的粗略位置作为进一步迭代优化的初值,并根据可用的特征点(可以是能被所有像机观测到,也可以是仅被部分像机观测到)的多光线约束来建立最优化目标函数,通过迭代算法最终解算得出被测目标可靠的位置姿态。实验结果表明,该方法在解决实际应用中遮挡问题的同时,也能提供较高的测量精度。     

基于MEMS传感器的姿态测量系统设计

为解决单目三维扫描装置摄像机标定完成后姿态不能改变的问题,针对单目三维扫描装置使用过程中的运动方式与特点,设计了一款基于 MEMS 传感器的姿态测量系统。采用四元数对姿态进行解算,通过三轴姿态确定(TRAID)算法构建量测模型,以无迹卡尔曼滤波(UKF)算法进行数据融合,能有效抑制姿态解算过程中陀螺仪的漂移问题。实验结果表明,利用该系统进行姿态测量时静态误差低于±0.2°,动态误差低于±1°,系统实时性好、适用于动态三维扫描系统。     

Measurement of spatial object''''s exterior attitude based on linear CCD

It is difficult to realize real-time measurement of exterior attitude by the traditional systems based on the area image sensor which have conflict between speed and accuracy.The subsystem for three-dimensional (3D) coordinate rcconstruction of point target (S3DCRPT) which is composed of three one-dimensional (1D) cameras based on linear charge-coupled device (CCD) can determine the distant light spots' spatial position. The attitude angle of the measured object is determined by the spatial solution while the coordinate reconstruction is separately carried on by the S3DCRPT with some point cooperation targets (PCTs) on the measured object. A new optical system is designed to solve the interference problem with one-to-one relationship between the PCTs and the S3DCRPT optical subsystems,which improves the measurement accuracy and saves space. The mathematical model of the attitude measurement is established,and partial and global calibrations are realized for the multi-camera attitude measurement system.The test results show the feasibility of the exterior attitude measurement based on linear CCD.     

空间姿态敏感器表面材料辐射与反射性能测量方法研究

论述了空间姿态敏感器表面材料测量的基本原理,即光谱漫反射基本原理和光谱相对空间反射分布测量原理。通过上述测量可以全面地考察敏感器表面材料对不同光谱成分的反射能力,以及光辐射在材料表面的反射情况。结果表明,敏感器表面材料在入射和反射角大于60°的近红外区(波长为800~2500nm),敏感器表面材料的反射辐射能量明显升高了。在紫外至可见光区(波长为250~700nm),在入射和反射角小于60°的条件下,反射辐射能量很低。     

一种鲁棒的目标跟踪方法

针对传统特征光流场跟踪方法中由于误差积累和错误匹配而导致的特征点丢失问题,基于一种新的Harris-SIFT特征点表示方法,提出基于预测帧与关键帧的算法框架,实现了光流场运动估计与局部特征识别相结合的目标跟踪方法.预测帧利用塔式分解和递归算法计算特征点的光流场运动矢量,使用运动矢量直方图获取目标的运动矢量,并剔除误匹配点;当特征点数量小于5个时,关键帧使用Harris-SIFT特征点进行局部特征匹配,利用仿射模型对目标精确定位及姿态修正.实验结果表明,本方法对视频序列中的纹理特征目标跟踪的鲁棒性较好,在背景复杂、目标遮挡或暂时丢失情况下,仍可以继续完成目标的可靠跟踪.     

一种鲁棒的目标跟踪方法

针对传统特征光流场跟踪方法中由于误差积累和错误匹配而导致的特征点丢失问题,基于一种新的Harris-SIFT特征点表示方法,提出基于预测帧与关键帧的算法框架,实现了光流场运动估计与局部特征识别相结合的目标跟踪方法.预测帧利用塔式分解和递归算法计算特征点的光流场运动矢量,使用运动矢量直方图获取目标的运动矢量,并剔除误匹配点;当特征点数量小于5个时,关键帧使用Harris-SIFT特征点进行局部特征匹配,利用仿射模型对目标精确定位及姿态修正.实验结果表明,本方法对视频序列中的纹理特征目标跟踪的鲁棒性较好,在背景复杂、目标遮挡或暂时丢失情况下,仍可以继续完成目标的可靠跟踪.     

A calibration method for stereo vision sensor with large FOV based on 1D targets

Large FOV (field of view) stereo vision sensor is of great importance in the measurement of large free-form surface. Before using it, the intrinsic and structure parameters of cameras should be calibrated. Traditional methods are mainly based on planar or 3D targets, which are usually expensive and difficult to manufacture especially for large dimension ones. Compared to that the method proposed in this paper is based on 1D (one dimensional) targets, which are easy to operate and with high efficiency. First two 1D targets with multiple feature points are placed randomly, and the cameras acquire multiple images of the targets from different angles of view. With the fixed angle between vectors defined by the two 1D targets we can establish the objective function with intrinsic parameters, which can be later solved by the optimization method. Then the stereo vision sensor with two calibrated cameras is set up, which acquire multiple images of another 1D target with two feature points in unrestrained motion. The initial values of the structure parameters are estimated by the linear method for the known distance between two feature points on the 1D target, while the optimal ones and intrinsic parameters of the stereo vision sensor are estimated with non-linear optimization method by establishing the minimizing function involving all the parameters. The experimental results show that the measurement precision of the stereo vision sensor is 0.046 mm with the working distance of about 3500 mm and the measurement scale of about 4000 mm×3000 mm. The method in this paper is proved suitable for calibration of stereo vision sensor of large-scale measurement field for its easy operation and high efficiency.     

一种现场大尺寸测量精度的评价方法

针对现场全面评价大尺寸测量仪器精度的特殊性,提出了一种采用多仪器站多控制点的精度评价方法.基于四元数的空问数据配准,将多仪器站的测量数据统一到全局坐标系下,基于控制点坐标不变约束,对测量值进行统计得到测量不确定度,并从中提取仪器内部各传感器单元分量的不确定度.利用多传感器信息融合技术求得最优控制点,减小坐标转换误差对结果的影响.以激光跟踪仪为例进行了仿真和现场实验,结果表明,该方法评价测距和测角小确定度的误差可分别降至1 μm和0.1'以内.     

基于单目视觉的矩形靶面弹着点测量

目前机器视觉技术广泛应用于弹着点坐标的测量领域,针对双目视觉技术标定、演算复杂的问题,提出一种基于单目视觉技术的弹着点测量方法。通过图像处理技术定位出靶面4个角点以及弹着点像素坐标,采用矩形P4P方法解算出靶面坐标相对于相机坐标系的位姿,根据单目视觉成像原理计算出弹着点在靶面的实际坐标。根据该方法成功测量出了实验中靶面弹孔的坐标,最大测量误差为2.3 mm。结果表明,该方法可以快速、精确测量靶面与相机的位姿关系以及弹着点的坐标。     

基于线结构光传感器的轨道板几何形貌检测方法

轨道板的外形尺寸精度对于保证高速铁路轨道质量起着至关重要的作用,针对现有轨道板检测方法存在的问题,本文建立了一种基于线结构光传感器的轨道板测量系统并提出了基于轨道板点云数据的几何参数测量方法。线结构光传感器按照固定间隔扫描CRTS III型轨道板,获得点云数据;利用轨道板中特殊位置点云数据对整个点云数据进行位置和姿态的校正;最后根据特征参数定义,实现轨道板四项关键几何参数的快速非接触测量。实验结果表明,本文提出的测量方法测量精度可达0.2 mm,满足轨道板的在线检测要求     

高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标

辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量,以实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度,根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离,降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明,高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%,与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%,小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。