垂直直线特征的双目视觉位姿测量方法

针对直线特征,提出了基于两条垂直直线特征双目视觉位姿测量解析算法。该算法根据直线特征和其在摄像机图像上投影直线共面性质建立模型,利用单位四元素法简化了投影模型变量,进而在仅知被测物体上两条直线相互垂直的信息,利用两条垂线投影在两个摄像机图像上四条直线图像,求解出被测物体的位姿参数。同时分析了退化情况下位姿求解方法,即当直线向量平行于两个摄像机基线向量时,直线向量在左右摄像机投影到同一条直线上时的位姿求解方法。基于Matlab仿真实验表明该算法对于噪声具有一定的稳健性,即使两条直线不垂直而有一个角度误差时,仍能保证一定的精度。实物实验表明该算法可以满足一般测量精度要求。     

基于多传感器的三维目标位姿测量方法

提出了一种基于多传感器的三维目标位姿测量方法,该方法利用多传感器技术,充分发挥深度相机和高分辨率电荷耦合器件(CCD)相机各自的优势,提高了测量的稳健性和效率。利用物体与其固定平面之间的关系,在点云中粗略定位出目标区域,通过预先标定信息将目标区域转换至灰度图像空间。在灰度图像中,利用线段检测器(LSD)算法外加特征约束,筛选出4条目标直线,利用透视4点(P4P)算法求解出目标的六维位姿。实验验证了该算法的有效性,其测量效率远优于经典模板匹配方法。     

空间非合作目标的双目视觉位姿测量方法

针对清理空间非合作目标任务中如何获取目标的相对位置和姿态的难题,提出一种双目视觉位姿测量方法。首先,设计了基于双目视觉的位姿测量算法,利用弧支撑线段的方法快速检测目标表面的对接环,通过极线约束准则和光流法辅助跟踪算法建立复杂场景下的对接环检测和筛选机制;利用两次遍历法快速标记连通区域,加入面积和曲率约束,提取目标表面特征较突出的规则标志点。利用三维重建后的对接环平面和标志点建立目标坐标系,解算与世界坐标系之间的位姿关系。之后将算法移植到DSP6678信息处理平台,实现了对空间非合作目标的实时连续位姿测量。通过3组不同工况下的小卫星模型实验,验证了该方法的有效性。     

单目视觉与倾角仪组合优化的位姿测量系统

为了提高单目视觉实时测量双护盾隧道掘进机前后盾相对位姿的精度,引入高精度倾角传感器与单目视觉构成一种组合测量系统。该系统将两个倾角传感器分别与视觉传感器和特征点系统固定连接,通过倾角传感器提供的多个角度约束,结合单目视觉实现掘进机前盾体相对于后盾体位姿的更高精度测量。仿真实验表明该系统是可行的,并且具有理想的精度。搭建了模拟双护盾隧道掘进机位姿变化的实验平台,利用全站仪进行精度验证。结果表明系统的测量精度优于3mm,相对于单目视觉测量方法来说,测量精度有了显著提升,可以满足隧道施工中双护盾隧道掘进机位姿的精密测量需求。     

基于单目视觉的航天器间相对位姿测量算法

对航天器间相对位姿的光学测量问题进行了研究,提出了一种新的单目视觉测量算法——相似迭代算法。该算法根据三角形相似原理提出了一种新的深度迭代机制,并通过引入深度变量,将求解2D-3D问题转化为迭代求解3D-3D问题。对数值仿真与两种现有的测量算法进行了比较。仿真结果表明,该算法具有精度高、抗噪声能力强和实时性较好等优点,可以应用于航天器间相对位姿测量等任务。     

遮挡区域空间位姿的多传感组合测量方法研究

针对狭长区域模块间存在视野遮挡、对接区域尺寸微小等问题,提出了一种多传感器组合位姿测量方法。该方法采用了布置在模块前后的轮廓仪与激光位移传感器联合获取模块上特征平面点云数据,利用平面拟合与空间几何投影的方法解算出章动角的旋转与位置的平移偏差,结合固定在目标上倾角仪提供的水平角信息解算出进动角与自转角的旋转偏差,研制了自动对接平台样机,实现了对接区域相对位姿的间接测量。实验结果表明,系统的位置与姿态测量精度分别优于40 μm、0.02°,且测量稳定性与效益较人工测量有明显提高,证明了所提方法的有效性,满足对设备模块间的高精度位姿测量需求。     

一种基于线结构光传感器的圆位姿测量方法

对零件上圆形特征的测量是工业制造中质量控制和自动化加工的重要方面。针对基于计算机视觉原理测量空间圆位姿适应性弱、鲁棒性不强的问题,研究了一种基于线结构光传感器的测量方法。根据图像上椭圆以及空间圆对应的两个二次曲面方程之间的转换关系,求取圆孔法向矢量,该过程需要借助一个虚拟锥面构建中间曲面转换矩阵;进而结合法向矢量和激光线与圆周两个交点的三维坐标数据构建圆孔平面,利用共线方程即可得到圆孔的孔心坐标和半径。对该测量方法进行实验验证,结果表明:在线结构光传感器与空间圆的各种姿态下,圆孔半径在2～4 mm范围内,法向矢量平均误差为0.3°、半径平均误差为0.02 mm、孔心坐标平均误差为0.02 mm。在对比实验中,该方法对于半径为3.054 mm的圆孔,半径最大误差为0.04 mm,旧方法误差极值为0.23 mm。从而验证了该方法在各种场景下测量结果均能达到较高的精度,工作环境适应广,鲁棒性较强。     

单目移动机器人相对位姿估计方法

针对单目机器人在运动过程中，相邻关键帧之间基线过短造成的相机相对位姿无法恢复的问题，提出了一种利用已知特定参照物迭代优化本质矩阵，从而快速分解出机器人相对位姿的方法。该方法首先利用已知特定参照信息获取本质矩阵估计值，然后通过相邻关键帧之间匹配的特征点组和本质矩阵估计值对本质矩阵迭代优化，最后通过本质矩阵的约束关系求得平移向量估计值，利用基于李群的姿态表示得到旋转矩阵估计值，并进一步优化得到唯一解。该方法避免了由于基线过短而无法恢复相机相对位姿的弊端。实验结果表明，该方法可快速解算并优化机器人相对位姿关系，且相对位移估计绝对误差小于0.03 m，优于传统方法。     

一种基于双目视觉技术的运动线缆空间位姿测量方法

为了测量柔性运动线缆的空间位姿,提出了一种基于双目视觉的中心线匹配法,可以对长径比较大的柔性线缆类零件的空间位姿进行光学测量。通过运动估计方法提取ROI(感兴趣区域),对ROI进行二值化处理,再通过细化算法提取区域的骨架作为中心线,结合极线约束寻找中心线上的匹配点对,重建中心线上点列并拟合空间中心线。建立了实验系统,通过实验测试表明,该方法平均测量误差为0.09mm,证明了实验方法的正确性和可行性。     

交会对接航天器间相对位姿参数单目视觉测量的解析算法

利用四个非共面设置的特征光标和单个CCD相机,采用单位四元素来描述航天器相对姿态,基于比例正交投影近似假设,建立目标航天器已知特征光标物理坐标和对应图像点图像坐标之间的简化数学模型,以解析的形式给出了航天器间相对位姿参数(相对位置和姿态),并对解析解进行修正。对该算法进行数学仿真,仿真结果表明,算法简单可靠,能够满足航天器确定精度和实时计算的要求。     

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.     

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。     

面向机器人位姿测量的大视场变焦测量方法

针对机器人大范围位姿精准测量问题,提出一种大视场位姿测量的变焦测量方法。利用变焦图像匹配点的单应矩阵进行变焦内参动态计算,根据变焦前后靶标位姿求解相机坐标系变换,给出与变焦参数相关的PnP算法,考虑畸变后进行参数优化,并提出缩放和对焦两步变焦控制策略。提出一种基于图像模板的靶标板位姿测量算法,在靶标可视姿态均能稳定检测并区分标志点。对变焦测量系统进行误差测量实验和大场景跟踪实验,结果表明,不同变焦参数下均具有较高的单点测量精度,平均位置精度最高21.8μm,在400~1600 mm范围误差0.09mm,精度较高,使用的变焦相机可实现178.7461~9022.31mm测量。该方法实现了相机活动范围受限而测量范围可拓展的位姿测量。     

基于视觉的车辆与轨道相对振动状态测量方法研究

车辆与轨道相对振动状态对轨道线形测量有重要影响;分析了传统检测车辆与轨道相对振动状态测量方法的缺陷,提出一种基于视觉的车轨相对振动状态测量方法,以轨道建立世界坐标系,以车体建立车体坐标系。考虑相机镜头畸变,建立相机非线性模型,基于机器人手眼方法标定相机与车体,求解相机内外参数。依据车体运动姿态特征,推导基于双目机器视觉的车辆运动姿态偏移补偿计算方法;运用实验平台设计验证实验,通过计算所得的车体振动位移与真实值高度吻合,随着车速增加振动位移误差也随之增大,验证了该方法的正确性和可行性;提供一种车辆与轨道相对振动状态测量方法。     

单目摄像机-激光测距传感器位姿测量系统

在单目视觉测量中,由于模型自身的限制,沿摄像机光轴方向上的位移测量精度一般远低于垂直光轴方向上的位移测量精度.首先,从数学模型上分析了单目视觉位姿测量在沿光轴方向上位移测量精度低的原因;然后,为了提高沿摄像机光轴方向上的位移测量精度,通过在沿摄像机光轴方向上加装一个高精度的激光测距传感器,设计了一种单目摄像机-激光测距...     

基于TOF相机的空间非合作目标位姿测量方法

针对空间非合作目标近距离交会对接时较难获取精确位姿的问题,提出一种高效可靠的基于TOF(time-of-flight)相机的空间非合作目标位姿测量方法.利用TOF相机灰度图可存储光强的特点,用回光反射材质圆点标定板,提高了相机标定精度;基于边缘弧段组合的椭圆检测法计算目标表面对接环内外侧椭圆参数;基于局部阈值的区域生长...     

未知畸变参数时多视图三维重建相对位姿估计方法

针对多视图三维重建中畸变影像的相对姿态估计问题,提出了一种高精度的鲁棒性估计方法.根据对极几何关系,推导了畸变中心未知时的畸变基础矩阵表达模型.在系数矩阵中引入加权矩阵,控制参与估计的匹配对应点,通过奇异值分解估计畸变基础矩阵.根据加权矩阵更新准则对加权矩阵进行更新,然后进行迭代计算,比较前后两次估计得到的内点数目及平均极线距离,得到畸变基础矩阵的最优解,并判断是否需要继续迭代.在得到最优畸变基础矩阵后,再分别对畸变中心、畸变参数以及焦距进行估计.仿真和真实实验表明该方法能有效提高相对姿态鲁棒估计速度,在噪声均方差为2.5时,畸变参数误差均值小于2%,焦距估计误差小于3.5%.     

基于位姿约束的大视场双目视觉标定算法

为了提高大视场、远距离的双目摄像机标定精度,提出一种基于位姿约束的摄像机标定算法。该方法利用双目摄像机之间的三维位姿关系是刚体变换这一属性,标定出左、右摄像机相对位姿的外部参数。利用相对位姿为约束条件求取摄像机的初始内部参数,剔除较大的重投影误差值对应的标定图像组,重复迭代直至重投影误差平均值小于指定值,得到多个待优化的摄像机内部参数。再将最后标定图像组的角点坐标、待优化的摄像机内部参数和相应的外部参数,建立一个以角点三维重构坐标值与实际设定角点三维坐标值的模均值为最小的目标函数,求解出双目摄像机标定参数的最优解。该方法很好地解决了误差大的标定图像造成的影响,且充分利用了双目摄像机之间的位姿约束关系。通过仿真和标定实验可以看出,本文方法可以实现大视场双目摄像机的高精度标定。     

一种单目视觉位姿测量系统的误差分析方法

针对单目视觉位姿测量传统误差分析方法中只考虑单一误差因素，分析结果与工程实际有较大差异的问题，提出一种考虑多误差因素共同作用的误差分析方法。根据单目视觉系统的测量范围和相机参数建立其位姿测量模型；综合考虑相机内参、镜头畸变、图像点、靶标三维点等误差因素，将其同时引入位姿测量模型进行分析；分析抑制不同参数误差及提高相机分辨率等在多误差因素共同作用下对位姿测量结果的影响，找到最有效的精度优化方法。采用小型机械臂手眼定位中的单目视觉位姿测量系统进行实验，结果表明通过抑制相机径向畸变误差和提高相机分辨率，能够有效地提升该系统的位姿测量精度，位姿精度分别提升6.57%、4.21%和5.88%、5.54%。