CN102538793B - 一种双基线非合作目标双目测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双基线非合作目标双目测量系统，包括一组长基线双目相机、一组短基线双目相机、数据处理计算机和两组主动照明系统。本发明是一种非接触式的针对非合作目标的图像测量系统，被测量目标上没有安装合作的测量对象，通过双目相机的图像立体视觉原理进行特征点的提取和确认测量，可以降低交会对接的条件，适合于与完全未知的目标交会对接抓捕。本发明采用长短基线双目相机分别覆盖所测量区域的远近距离范围，照明系统也是对应长短基线进行设计，采用主动照明系统对非合作目标进行照明，以降低测量系统太阳杂光干扰和在无外界光源条件下的正常工作。

Description

一种双基线非合作目标双目测量系统

技术领域

本发明涉及一种非合作目标双目测量系统，尤其涉及一种双基线非合作目标双目测量系统，属于非合作目标非接触视觉测量领域，可适用于非合作航天器的自主接近过程的运动参数相对测量，也可以用于地面非合作目标超近距离的运动参数相对测量。

背景技术

航天器自主交会对接任务中，对接前的几十米距离范围内，目前国际上都是借助于光学成像敏感器进行目标相对位置和姿态的测量。因此需要在目标航天器上安装标志灯或者反射器，在交会航天器上安装测量设备对其测量，通过建立目标坐标系和测量坐标系，经过标定确立它们之间的相对位置和姿态关系，以及确立标志点位置和各个坐标系之间的关系，再经由标志点像的提取与分布计算可以得出目标相对于测量坐标系的6个自由度运动参数。为了使测量系统覆盖几十米到亚米的测量范围，目前航天技术领域的测量技术限于对于合作目标的测量，采用主动目标发生器或者被动角反射器作为合作目标，采用单目相机即可完成目标相对6个自由度的位置测量，对于合作目标双目测量系统在原理上仍然可以满足测量要求，只是它要比单目相机复杂。

然而，对于非合作目标，即没有任何事先安装的标志，若要达到上文中提到的交会对接，就不能采用某种空间分布的标志灯或者反射器之类的已知测量对象作为参考目标。对于非合作目标交会对接测量，为了使测量系统覆盖几十米到亚米的测量范围，目前航天在该技术领域仍在探索之中，没有很成熟的技术。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种双基线非合作目标双目测量系统，能够实现对非合作目标的测量。

本发明的技术解决方案是：一种双基线非合作目标双目测量系统，其特征在于：包括一组长基线双目相机、一组短基线双目相机、两组主动照明系统和数据处理计算机，长基线双目相机位于两边，短基线双目相机位于中间部位，长基线双目相机和短基线双目相机中间的基线夹角为0°至180°，长基线双目相机的最小探测距离对应短基线双目相机的最长探测距离，长基线双目相机和短基线双目相机各配置一组主动照明系统，每组主动照明系统的照明发射张角大于等于单个相机的视场角，数据处理计算机对长基线双目相机(1)和短基线双目相机的成像进行处理；

长基线双目相机或短基线双目相机对目标在最大探测距离处的成像比率MDSR满足关系：MDSR不小于长基线双目测量系统或短基线双目测量系统视场的1/5，即MDSR_min＝0.2，其中

长基线双目相机或短基线双目相机对目标在最小探测距离处重叠区的成像宽度比率MDCR满足：MDCR不小于长基线双目测量系统或短基线双目测量系统视场的1/2，即MDCR_min＝0.5，其中

中心偏移率CDR满足： $\mathrm{CDR}<\frac{\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}-\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{2}}{\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}}=1-\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0}{\mathrm{\&theta;}},$ $\mathrm{CDR}=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_d}{\mathrm{\&theta;}/2}=\frac{2(\mathrm{\&gamma;}-\arctan \frac{B}{2d_{\max }})}{\mathrm{\&theta;}};$

其中，d_max为双目测量系统的最大探测距离；

d_min为双目测量系统的最小探测距离；

d_b为双目测量系统的盲区距离为；

γ为单个相机光轴与基线中垂线的夹角；

θ为单个相机的半视场角；

B为双目测量系统的基线宽度；

l为双目测量系统最小探测距离处重叠区的宽度；

ω为目标在最大探测距离d_max处对单个相机的张角；

ω₀为目标在最大探测距离d_max处的张角；

ω_d是最大探测距离中心点O_f偏离单个相机的角度；

${\mathrm{\&omega;}}_d=\mathrm{\&gamma;}-\mathrm{\&Delta;}=\mathrm{\&gamma;}-\arctan \frac{B}{2d_{\max }};$

为最小探测距离处重叠区宽度l对单个相机的张角；

其中

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明是一种非接触式的针对非合作目标的图像测量系统，不同于以往的采用惯性敏感器测量的系统；以往交会对接都是针对合作目标的，采用合作的发光目标或者角反射器作为测量对象，合作目标的布局和特性是完全已知的。而本发明提供的测量系统是针对完全非合作目标或者半合作目标的，被测量目标上没有安装合作的测量对象，通过双目相机的图像立体视觉原理进行特征点的提取和确认测量，可以降低交会对接的条件，适合于与完全未知的目标交会对接抓捕，对我国航天技术的发展具有很大的意义。

(2)本发明采用长短基线双目相机分别覆盖所测量区域的远近距离范围，在超近距离可采用一对双目相机组成的视觉测量系统进行未知目标特征识别与三位坐标确定，进而进行三维相对姿态的测量确定，在测量距离范围较大时可采用多基线双目相机对构成的视觉系统进行分段测量，以增加测量距离范围，照明系统也是对应长短基线进行设计，采用主动照明系统对非合作目标进行照明，以降低测量系统太阳杂光干扰和在无外界光源条件下的正常工作。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为双基线测量系统双目相机交角空间布局示意图；

图3为双基线测量系统双目相机前后错列布局示意图；

图4为单基线双目测量系统的几何结构示意图；

图5为单基线双目测量系统中心偏移率的计算示意图；

图6为主动照明系统照明视场图；

图7为双目测量系统三个坐标系的关系图；

图8为双目测量系统软件测量流程图；

图9为双目测量系统软件跟踪反馈示意图。

具体实施方式

非合作目标在超近距离范围内交会对接的测量手段采用主动照明双目视觉测量系统，该系统原理上可以实现非合作目标任意特征点的三个方向相对位置坐标测量和非合作目标三个相对姿态的测量。双目视觉测量系统一般包括两个光轴接近平行安装的相机，其两者设计参数相同，光轴之间成一定的角度。本发明提出了一种新的交会对接测量系统，与已有的测量系统不同的特点在于，不需要像标志灯和反射器之类的合作测量目标作为辅助设备，可以降低交会对接的条件，适合于与完全未知的目标交会对接抓捕，在超近距离可采用一对双目相机组成的视觉测量系统进行未知目标特征识别与三位坐标确定，进而进行三维相对姿态的测量确定。

双目视觉测量系统一般包括两个光轴接近平行安装的相机，其两者设计参数相同，光轴之间成一定的角度，为了增加测量距离范围和兼顾远近距离视场覆盖的需求，一般将双目视觉测量系统多组结合来使用，成为双基线双目测量系统，或者多基线双目测量系统。

如图1所示，长基线双目测量系统的基线较长，位于两边；短基线双目测量系统的基线较短，位于中间部位。两套双目测量系统均安装在机动航天器的平台上，空间布局可以根据需要调整，只要每套双目测量系统的测量坐标系之间经过严格标定确定相互位置关系即可，双基线双目测量系统可以通过数据处理系统采集各自的图像存储处理，数据处理系统可采用DSP类似功能的嵌入式处理器，也可以采用普通计算机进行工作。双基线双目视觉测量系统的数据处理器安装信息处理软件，该软件具有测量系统标定、图像处理、目标特征识别与提取、目标相对位置和姿态信息的提取、相机控制、照明控制、系统检测与自主运行控制等功能。

长基线和短基线双目测量系统安装在机动卫星平台上，两个单相机视场重叠区域应覆盖被测量的非合作目标，光轴具有一定的夹角以便于视场重叠区域的扩大，该角度越大有利于重叠视场的扩大，但是会降低测量精度，因此应折中选定，一般在15°以内，特殊情况下可以超过15°，例如精度要求不高但目标视场角较大时。双目测量系统首先要建立测量坐标系OXYZ，即以双目中的一个单相机物方主点作为系统测量坐标系的原点O，以光轴为Z轴，方向朝向目标，沿着探测器方向的两个轴为X轴和Y轴。非合作目标的测量将相对于这个测量坐标系。

如图2所示，为本发明采用的测量系统硬件组成示意图，其空间布局方式可以根据实际需要在此基础上进行重新安排，如短基线相机对的基线与长基线相机对之间的基线夹角φ可以成0°至180°角度，也可以前后错列布局，如图3所示，在各种布局中应保证相机各自的视场不被遮挡，并标定出不同基线系统测量坐标系之间的转换关系。相机焦距和视场角按照测量精度要求确定，相对孔径确定按照距离测量范围内引起的离焦量不超过4倍焦深为准则进行。

本发明的双目测量系统也可以由多组单基线双目系统复合而成，根据需要和测量距离范围要求，可以采用2组单基线或者2组以上数目基线的双目测量系统组合成而成。在多组基线情况下，空间布局均可按照图1、2、3的原理进行。

为了确定双目测量系统结构与光学系统参数，本专利提出了一种三个参数综合约束的方法，这三个参数为(1)双目测量系统对目标在最大探测距离处的成像比率MDSR；(2)双目测量系统对目标在最小探测距离处重叠区的成像宽度比率MDCR；(3)中心偏移率CDR。一个可实现的双目测量系统必须同时满足以上三个参数的约束条件。下面是约束条件公式的论述。

对于每个单基线双目系统，其中2个相机的光轴一般呈一定交角2γ，该角度得存在可以提高单基线双目测量系统的测量覆盖区域，其取值一般不超过半视场角。双目测量系统对目标在最大探测距离处的成像比率MDSR满足关系：MDSR不小于双目测量系统视场的1/5，即MDSR_min＝0.2，其中

双目测量系统对目标在最小探测距离处重叠区的成像宽度比率MDCR满足：MDCR不小于双目测量系统视场的1/2，即MDCR_min＝0.5，其中如图4所示，首先求出d_min下重叠区宽度l。由三角形的相似性得到：

将代入得到l＝2d_mincotα-B，此外，图中令则由正弦定理可以得到整理得将GH＝l和代入，最后整理得到：

其中可以看出角是重叠区宽度l对摄像机的张角，因此重叠比率为了保证双目匹配的正常进行，要求重叠区域不小于视场的1/2，即MDCR_min＝0.5。

增大光轴夹角γ时，目标的图像会偏离图像中心，对于视觉算法来说，偏移量越大，带来的缺点是镜头畸变影响越大，特征的双目匹配越困难，因此偏移需要控制在一定范围内。假设距离dmax的中心点O_f的像点距离图像中心m_d个像素，摄像机分辨率M，则定义中心偏移率CDR越大，偏离中心越远。

如图5所示，中心偏移率CDR满足： 通常情况下，CDR取值不超过0.3左右。

其中，d_max为双目测量系统的最大探测距离；

d_min为最小探测距离；

d_b为盲区距离为；

γ为单个相机光轴与基线中垂线的夹角；

θ为单个相机的半视场角；

B为基线宽度；

l为最小探测距离处重叠区的宽度；

ω为目标在最大探测距离d_max处对单个相机的张角；

ω₀为目标在最大探测距离d_max处的张角；

ω_d是最大探测距离中心点O_f偏离单个相机的角度；

${\mathrm{\&omega;}}_d=\mathrm{\&gamma;}-\mathrm{\&Delta;}=\mathrm{\&gamma;}-\arctan \frac{B}{2d_{\max }};$

为最小探测距离处重叠区宽度l对单个相机的张角；

其中

由上述内容可以确定给定一定的探测距离后，采用几个基线的双目测量系统才能完成测量，每个基线的双目相机视场，最远和最近探测距离，基线长度等结构参数。

探测器件可以采用CCD，也可以采用APS等成像器件。电路系统设计主要采用两层电路板站接的连接方式，为了保证后续系统不会影响对图像传感器的高精度安装，设计时，将第图像传感器系统单独设计一块电路板，并且将其独立。第二块电路板与第一块电路板在信号上通过连接件连通，但是在机械上没有硬性连接关系。

主动照明系统由短基线相机照明分系统和长基线照明分系统构成，每个分系统的照明发射张角应不小于各自相机的视场角。每个照明分系统均又有多组照明单元组成，用于不同距离处的照明功率控制，其每个照明单元均可以由数据处理单元内测量软件进行开关控制。主动照明系统采用n组照明单元构成，每组照明单元具有各自的发射张角Ω、波长λ和功率w。

系统的照明分为两种，一种是配置给长基线使用的，在相对较远距离位置上目标物体的照明，另外一种是配置给短基线相机使用，在相对较近距离位置上目标的照明，长短基线配合使用，实现系统对目标物体的工作范围在0.5米到20米范围。如图6所示，在远距离情形下，考虑到照明能量的要求，采用15度的照明方案，将目标物体1m×1m的物体照亮，则物体到达目标的最近距离为7.5m，此时视场内照亮的物体大小为2m，确保系统能够将整个目标照亮；同时，考虑到系统的复杂性，在系统范围内设计一套45度的照明系统，确保长基线时，相机在整个视场范围内正常工作。短基线时，工作范围0.5米～7.5米，在此变化范围内，目标物体运动在相机视场变化剧烈，覆盖的范围较宽，对应于测量系统的精度也较高，因此在此范围内既需要大视场角的相机测量，也需要大的照明视场角，因此设计相机的照明视场角为60度；保证在60度范围内系统能够工作正常；因此整个系统的照明设计如下：

表1照明方案系统设计

	长基线相机	短基线相机
			照明视场角	15度	60度
功率	15w、30w可控	15w、30w可控

测量系统共涉及三种坐标系，如图7所示，图像坐标系，摄像机坐标系，世界坐标系。

图7中的u₁v₁和u₂v₂坐标系是左右拍摄图像的坐标系，单位是像素；坐标系x₁y₁z₁和x₂y₂z₂是摄像机的坐标系，原点是摄像机光心，z轴和光轴重合，x轴和y轴与图像坐标下的u轴和v轴的方向一致；坐标系x_wy_wz_w是世界坐标系。

摄像机坐标系定义如下：以旋转轴方向为z轴，假设目标器表面某特征点A已知，则以A在z轴上投影O为坐标原点，则定义OA为x轴，以左手系定义y轴。

测量系统特征自动提取的软件实现流程框图如图8所示。为了实现自动提取特征点并对其进行跟踪测量的功能，要保证以下两个条件，一是特征提取算法，目的是从图像中提取稳定的特征点，并利于双目匹配；二是特征匹配算法，目的是提高双目特征点匹配的正确率，减少误匹配点，为后续跟踪测量提供数据基础。

其具体的实现过程如上图9所示，为了保证匹配的正确概率，使用了三次匹配：第一次匹配是根据提取的边缘图像进行粗匹配，获得左右图像中特征对应的大概范围；第二次匹配是根据提取的SIFT(Scale InvariantFeature Transform)特征进行匹配，粗匹配的结果是其中一个匹配的约束条件，然后对匹配结果使用KD-Tree优化算法以提高正确概率；第三次匹配是对SIFT特征进行三角剖分，利用三角网络实现匹配，同样粗匹配也是匹配过程中的一个约束条件；然后取两次匹配结果的交集作为最终匹配结果。

为了进一步提高算法的鲁棒性，在跟踪阶段加入反馈以排除误匹配点。根据运动特性可知，目标表面物点在空间中运动具有连续性和一致性，因此相邻两帧图像之间的距离是接近的，并且运动方向是一致的。根据这个原理，如果出现误匹配的点，那么它在序列中不会形成一条轨迹。如果由双目匹配得到的特征点没有连续性，即轨迹的长度小于阈值，则在轨迹数据库中将其删除，只保留具有连续性的特征点。这样可以进一步提高算法的鲁棒性。

作为一个应用实例，测量系统技术指标如下：

(1)位置测量距离范围：20m～0.5m

近距离单相机视场角选择范围：(40-70)°

远距单相机视场角选择范围：(20-40)°

(2)双目基线长度选择范围

近距双目：0.3m～1m

远距双目：1.5m～2m

(3)位置测量精度：0.01m～0.5m

(4)数据更新频率：1～10Hz

(5)旋转角测量精度：1°～3°

(6)目标尺寸：2mx2mx2m

(7)自旋角速度参考范围：0.5～2°/s

(8)自旋速度测量精度：0.2～0.5°/s

按照以上技术要求，长基线双目相机的设计参数确定为：

焦距：45mm

视场角：30°X30°

相对孔径：1/2～1/8

帧率：5Hz

基线长度：2m

光轴夹角：8°

按照以上技术要求，短基线双目相机的设计参数确定为：

焦距：29mm

视场角：46°X46°

相对孔径：1/2～1/8

帧率：5Hz

基线长度：0.5m

光轴夹角：8°

以上数据是根据精度要求、视场覆盖范围、测量距离等各项技术指标要求优化论证所得的折中设计结果，有经验的同行专家能够根据技术指标要求进行参数调整，调整结果仍在本专利实施内容范围之内。

本发明的特点是：

(1)可以实现从20m附近直到0.5m附近的非合作目标6自由度信息的平稳高精度连续测量，以往只有对合作目标测量系统才能做到。

(2)测量系统配有自适应发光功率调节的主动照明系统，光谱段采用近红外区域窄谱段，适应全程段的照明需要，照明发光功率分为若干档，档位的选择根据照明距离和图像灰度函数进行。

(3)采用了测量系统的高精度整机系统误差标定方法进行标定，达到了亚厘米的位置测量精度。主要采用了实测值随标称值变化曲线的拟合消除大部分测量系统误差。

(4)采用了非合作目标图像处理算法进行全正确选取特征的算法，并采用特征跟踪的方法进行连续跟踪非合作目标测量。

Claims (1)

1.一种双基线非合作目标双目测量系统，其特征在于：包括一组长基线双目相机(1)、一组短基线双目相机(2)、数据处理计算机(3)和两组主动照明系统(4)，长基线双目相机(1)位于两边，短基线双目相机(2)位于中间，长基线双目相机(1)和短基线双目相机(2)之间的基线夹角为0°至180°，长基线双目相机(1)的最小探测距离对应短基线双目相机(2)的最长探测距离，长基线双目相机(1)和短基线双目相机(2)各配置一组主动照明系统(4)，每组主动照明系统(4)的照明发射张角均大于等于单个相机的视场角，数据处理计算机(3)对长基线双目相机(1)和短基线双目相机(2)的成像进行处理；长基线双目相机(1)及其对应的一组主动照明系统(4)、数据处理计算机(3)构成长基线双目测量系统，短基线双目相机(2)及其对应的另一组主动照明系统(4)、数据处理计算机(3)构成短基线双目测量系统； 

长基线双目相机(1)或短基线双目相机(2)对目标在最大探测距离处的成像比率MDSR满足关系：MDSR不小于长基线双目测量系统或短基线双目测量系统视场的1/5，即MDSR_min＝0.2，其中

长基线双目相机(1)或短基线双目相机(2)对目标在最小探测距离处重叠区的成像宽度比率MDCR满足：MDCR不小于长基线双目测量系统或短基线双目测量系统视场的1/2，即MDCR_min＝0.5，其中

中心偏移率CDR满足：

其中，d_max为双目测量系统的最大探测距离； 

d_min为双目测量系统的最小探测距离； 

γ为单个相机光轴与基线中垂线的夹角； 

θ为单个相机的半视场角； 

B为双目测量系统的基线宽度； 

l为双目测量系统最小探测距离处重叠区的宽度； 

ω为目标在最大探测距离d_max处对单个相机的张角； 

ω₀为目标在最大探测距离d_max处的张角； 

ω_d是最大探测距离中心点O_f偏离单个相机的角度； 

为最小探测距离处重叠区宽度l对单个相机的张角； 

其中