本发明涉及一种空间自由飞行模拟器视觉精密定位方法，属于视觉测量
技术领域：
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背景技术：
：空间自由飞行模拟器是对卫星等航天器进行地面试验的特有装置，可以近似模拟出外太空环境下航天器微重力、零摩擦的空间活动，是一种全物理仿真验证方式，克服了数学仿真中对实物部件精确建模困难的问题，对于验证航天器控制方式以及实际性能有着十分重要的意义。对空间自由飞行模拟器进行快速而精确地定位是调整其轨道和姿态的重要前提，但由于试验的特殊性，空间自由飞行模拟器不能与地面设备有任何的物理连接，因此其位置及姿态信息都需要通过非接触的方式获得。传统非接触测量系统通过综合配置激光、超声波、雷达和角度传感器等装置来获得位姿信息，会带来资源浪费、成本高、配置过程复杂的技术问题。视觉测量技术作为一种非接触式测量方法，具有实时性好、数据采集和处理自动化程度高等特点。单目非接触位姿测量方式是视觉测量技术的一个重要分支，仅需一台相机或视觉传感器采集单张图像即可完成目标物体的精密定位，具有结构简单、成本低、相机标定简单、实时性强等优点，为空间自由飞行模拟器视觉精密定位提供了一种有效的方法。参考文献“五自由度气浮台姿态的计算机视觉辅助确定”，许剑,杨庆俊,包钢,李军.[J].四川大学学报(工程科学版),2009,04:220-226.该方法在空间自由飞行模拟器的台面上固定位置安放红、绿颜色定位LED灯，通过摄像头实时采集空间自由飞行模拟器的运动图像，由图像处理算法依次计算出红、绿两个LED灯中心在计算机图像坐标系的坐标，进而计算出空间自由飞行模拟器的平动位移以及空间自由飞行模拟器的绕Z轴的转角。其中，经过图像预处理后，通过形心提取算法确定红、绿LED灯中心，此方法虽简单高效，但由于LED发光截面轮廓形状与其实际形状相比有较大的误差，影响了定位精度；同时，在图像采集时必须依靠彩色图像采集设备，对硬件设备要求较高，且计算量较大，影响了运算速度。技术实现要素：本发明为了解决现有技术存在定位精度低，对硬件设备要求较高，且计算量较大，影响运算速度的问题，提出一种空间自由飞行模拟器视觉精密定位方法。一种空间自由飞行模拟器视觉精密定位方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一，空间自由飞行模拟器设置工作平台上，摄像机固定于工作平台的正上方，摄像机与上位机相连接；步骤二，设计应用于空间自由飞行模拟器定位的合作靶标，并将合作靶标置于空间自由飞行模拟器的合适位置；步骤三，合作靶标识别与处理：由上位机控制摄像机拍摄获取安装合作靶标的空间自由飞行模拟器图像，通过数字图像处理技术对合作靶标进行圆形目标的圆心提取，获得圆心在图像坐标系中的坐标；步骤四，空间自由飞行模拟器的实际位姿确定：由步骤三中获得的圆心在图像坐标系中的坐标，根据已知的合作靶标相对于空间自由飞行模拟器的安装位置，结合各坐标系之间的对应关系，确定空间自由飞行模拟器的实际位姿，实现对空间自由飞行模拟器的定位。本发明的积极效果：采用摄像机进行平面视觉定位，包括两个平移自由度定位和一个旋转自由度定位。(1)本发明设计应用于空间自由飞行模拟器定位的合作靶标，合作靶标由黑白两种颜色和圆形特征组成。在图像采集时，采用黑白图像采集设备即可，降低了对硬件设备的要求；在图像处理时，合作靶标中用来定位白色圆形目标与背景有较高的对比度，有利于实现目标分割，同时三个半径不同的圆形目标易于实现合作靶标的检测和识别，提高检测效率；(2)本发明提出圆形目标的圆心快速求取方法，该方法在对包含合作靶标的图像二值化处理的基础上，通过像素统计和求解回归方程确定圆心，无需对圆形目标进行边缘提取，即可准确实现圆心定位和半径求取，在保证测量精度的条件下提高了测量速度。结合合作靶标相对于空间自由飞行模拟器的安放位置以及相关坐标系变换，可以实时获得空间自由飞行模拟器的位置和姿态。(3)本发明利用单目视觉测量代替传统测量的方法，利用摄像机成本低且工作稳定的特点，简化和降低了测量条件要求。附图说明图1是本发明方法的测量方案示意图。图2是本发明合作靶标示意图。图3是本发明的定位方法流程图。图4是本发明所述摄像机获得的包含合作靶标的图像。图5是本发明预处理得到的二值图像BW。图6是本发明确定的合作靶标上圆形目标区域。图7是本发明对合作靶标中圆形目标进行像素统计的曲线图。图8是本发明定位圆形特征圆心示意图。图9是本发明定位靶标角度计算示意图。图10是本发明各坐标系示意图。具体实施方式一种空间自由飞行模拟器视觉精密定位方法，该方法包括以下步骤：如图1所示，步骤一，空间自由飞行模拟器2设置工作平台1上，摄像机4固定于工作平台1的正上方，摄像机4与上位机5相连接。步骤二，设计应用于空间自由飞行模拟器定位的合作靶标3，并将合作靶标3置于空间自由飞行模拟器2的合适位置。如图2所示，设计合作靶标3：合作靶标3为圆形轮廓，背景为黑色，其上面分布三个半径不同的白色实心圆形目标，黑色背景用来与黑色大理石工作平台相统一，提供与白色圆形目标较大的对比度。具体为合作靶标3是半径为15cm的黑色圆盘，其上面分布三个半径不同白色实心圆形目标A、B、C，其中圆A半径为3.5cm，圆B半径为2.5cm，圆C半径为1.5cm，B与C的圆心距离圆A的圆心均为50cm，圆心连线AC与AB垂直，A、B、C的圆心构成等腰直角三角形。确定合作靶标3的安放位置：圆A的圆心位于整个靶标圆盘中心，在空间自由飞行模拟器2上粘贴设计的合作靶标3，使得合作靶标3中心点与空间自由飞行模拟器中心点重合，则圆A的圆心坐标(aA,bA)即为空间自由飞行模拟器的中心坐标(x,y)。步骤三，合作靶标识别与处理；由上位机5控制摄像机4拍摄获取安装合作靶标3的空间自由飞行模拟器2的图像，如图3所示，通过数字图像处理技术对合作靶标3进行识别与定位。如图4所示，合作靶标识别与处理包括以下几步：第一步，图像预处理；针对获取的安装合作靶标3的空间自由飞行模拟器2的图像，通过高斯平滑模板进行图像去噪处理，由OTSU算法进行阈值分割获得二值化图像BW，如图5所示；第二步，白色实心圆形目标的识别；提取二值化图像BW中的八连通区域，根据连通区域的大小、宽高比和距离，逐步去除背景中无效连通区域，从而确定圆形目标的连通区域Hn，连通区域数量为n；(1)合作靶标3大小和形状固定，摄像机安装于固定位置后，合作靶标3中圆形目标在图像中的大小在一定范围之内，根据实际情况设置大小范围，若图5中各连通区域满足此大小范围，则将该连通区域保留，否则该连通区域剔除；(2)合作靶标3上圆形目标的宽高比为1:1，考虑到图像边缘区域的畸变较大，所以宽高比的范围通常在0.8-1.2之间，若上一步中保留下来的各连通区域满足此宽高比范围，则将该连通区域保留，否则该连通区域剔除；(3)合作靶标3上圆形目标之间距离固定，摄像机4安装于固定位置后，圆形目标之间距离在一定范围内。根据实际情况设置距离范围，若上一步中保留下来的各连通区域满足此宽高比范围，则将该连通区域保留，否则该连通区域剔除；综上，由连通区域的大小、宽高比和距离范围确定出合作靶标3上圆形目标连通区域，如图6所示。第三步，圆心与半径的求取；(1)对第n个连通区域Hn内图像进行保留，Hn外图像像素值均变为0，得到保留Hn的二值图像BWn；(2)对上步所获得的二值图像BWn进行逐行扫描与逐列扫描，统计每一行中像素值为1的像素数量mi并保存于矩阵M中，统计每一列中像素值为1的像素数量nj并保存于矩阵N中，像素值统计曲线图如图7所示；(3)定义图像坐标系原点位于图像左上角，横轴为x轴，纵轴为y轴。圆形特征中心点坐标为(a,b)，半径为r，圆形轮廓像素坐标(i,j)，以上三组参数满足公式(1)，(i-a)2+(j-b)2＝r2(1)。对连通区域进行逐行扫描时，第i行中第一个像素值为1的像素点坐标为(ci_1,jt)，最后一个像素值为1的像素点坐标为(ci_t,jt)，将此两点带入方程(1)，得到：(ci_1-a)2+(jt-b)2=r2(ci_t-a)2+(jt-b)2=r2---(2)]]>ci_1、ci_t与mi关系满足：mi＝ci_t-ci_1(3)与式(2)联立得到像素数量mi与圆心坐标和半径的关系为：mi=2r2-(jt-b)2---(4)]]>等式两侧同时平方得：mi2=4r2-4(jt-b)2---(5)]]>令绘制出Mi曲线，通过观察图7曲线可知，Mi与jt的关系呈现抛物线形状，结合式(5)，因此可设Mi关于jt的回归方程为M~i=c0+c1jt+c2jt2---(6)]]>利用最小二乘法求解未知参数c0，c1，c2的估计值，为此，作离差平方和S=Σt=1k(M~i-c0-c1jt-c2jt2)2---(7)]]>令∂S∂c0=-2Σt=1k(M~i-c0-c1jt-c2jt2)=0∂S∂c1=-2Σt=1k(M~i-c0-c1jt-c2jt2)jt=0∂S∂c2=-2Σt=1k(M~i-c0-c1jt-c2jt2)jt2=0---(8)]]>整理得正规方程组为：nc0+(Σt=1kjt)c1+(Σt=1kjt2)c2=Σt=1kM~i(Σt=1kjt)c0+(Σt=1kjt2)c1+(Σt=1kjt3)c2=Σt=1kjtM~i(Σt=1kjt2)c0+(Σt=1kjt3)c1+(Σt=1kjt4)c2=Σt=1kjt2M~i---(9)]]>正规方程组的矩阵表示形式为：JC＝Y(10)其中：J=nΣt=1kjtΣt=1kjt2Σt=1kjtΣt=1kjt2Σt=1kjt3Σt=1kjt2Σt=1kjt3Σt=1kjt4,Y=Σt=1kM~iΣt=1kjtM~iΣt=1kjt2M~i,C=c0c1c2]]>若J可逆，则正规方程组有唯一解C^=c^0c^1c^2=J-1Y---(11);]]>求得的即为c0，c1，c2的最小二乘估计，得到Mi关于jt的回归方程理论分析可知，在逐行扫描时，通过圆心点即直径位置的mi值最大，因此，当jt为圆心点纵坐标时，Mi曲线取得极大值，即可由Mi关于jt回归方程求解出圆心点纵坐标。同理，进行逐列扫描时，求解出圆心点横坐标。(4)确定当前区域的圆心坐标后，通过对当前连通区域宽度值wn与高度值hn取均值，估计当前圆形特征半径为rn=wn+kn2---(12).]]>(5)对每个连通区域重复上述步骤，提取每个非0的mi和nj进行拟合，将每一个mi、nj以及相对应的i、j进行回归分析及最小二乘估计，即解出圆心坐标(a,b)，进而逐一识别出各个圆形目标的圆心与半径，如图8所示。步骤四，空间自由飞行模拟器2的实际位姿确定。根据图像中白色圆形目标的圆心位置、圆心点连线方向以及已知的合作靶标3相对于空间自由飞行模拟器2的安装位置，计算得到空间自由飞行模拟器2在图像中的位置和角度，结合各坐标系之间的对应关系，确定空间自由飞行模拟器2在世界坐标系中的的实际位姿。(1)根据不同圆形目标的半径的大小关系rA>rB>rC来判断出圆A、B、C，由步骤二中靶标安装位置可知，圆A的圆心坐标(aA,bA)即为空间自由飞行模拟器的中心坐标(x,y)，实现了空间自由飞行模拟器的在图像坐标系中的位置求解。(2)连接AB与AC，图4所示靶标角度为初始化位置，AB与y轴平行，AC与x轴平行，当靶标运动时，计算AB与竖直方向的夹角α，计算AC与水平方向的夹角β，如图9所示，则得到空间自由飞行模拟器的实际旋转角度θ为：θ=α+β2---(13).]]>(3)如图10所示，得到空间自由飞行模拟器2在图像坐标系10中的位置坐标(x,y)后，根据摄像机的实际安装位置和标定结果，结合成像平面坐标系9与图像坐标系10之间的转换关系、摄像机坐标系8与成像平面坐标系9之间的转换关系、世界坐标系6与摄像机坐标系8的转换关系、空间自由飞行模拟器坐标系7与世界坐标系6的转换关系，确定空间自由飞行模拟器2在世界坐标系6中的位置，完成空间自由飞行模拟器的实际位姿确定，实现对空间自由飞行模拟器的精密定位。当前第1页1 2 3