CN104697499B - 一种应用于微重力环境下的视觉三自由度定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于微重力环境下的视觉三自由度定位方法，通过在气浮平台上增加一个相机，相机随气浮平台在平面上运动和旋转，通过捕获静止坐标系下的三个发光物体，获取三个发光体在静止坐标系下的像素，就可以计算出当前的相机在静止坐标系下的平动坐标和旋转坐标，进一步获得气浮平台的三自由度坐标，实现了微重力环境下的非接触式三自由度定位。

Description

一种应用于微重力环境下的视觉三自由度定位方法
技术领域
本发明涉及一种在微重力环境下通过三自由度信息对运动物体进行定位的方法。
背景技术
在微重力环境下，可以通过气浮平台的气浮技术实现对天体中运动物体的模拟试验。但是气浮平台在工作台面上只能进行平动和转动，并且气浮平台与静止的空间坐标系具有相对运动，但无任何接触，所以系统无法使用传统的位移传感器等技术实现对气浮平台的三个自由度的定位。
发明内容
本发明的目的在于设计一种能够在微重力环境下对运动物体(如气浮平台)进行定位的方法，特别是通过非接触式的三自由度信息进行定位。
本发明通过在气浮平台上增加一个相机，相机随气浮平台在平面上运动和旋转，通过捕获静止坐标系下的三个发光物体，获取三个发光体在静止坐标系下的像素，就可以计算出当前的相机在静止坐标系下的平动坐标和旋转坐标，进一步获得气浮平台的三自由度坐标，实现了微重力环境下的非接触式三自由度定位。
附图说明
现在将结合附图对本发明进行描述，其中：
附图1是相机获取图像的示意图；
附图2是相机采集图像的示意图；
附图3是图像采集的平面几何关系图；
附图4是经过简化后的平面几何关系图。
具体实施方式
本发明的微重力环境下的视觉三自由度定位方法主要分为以下几个步骤：
(1)选择相机
首先需要定义两个坐标系：静止坐标系和运动坐标系，此处可以设定地面为静止坐标系，气浮平台为运动坐标系。
在气浮平台上安装相机，捕获静止坐标系下的物体坐标。相机可以安装在运动坐标系下的某个坐标下，随运动坐标系同时做平动和旋转运动。如附图1所示。
相机的选择需要考虑到以下因素：图像分辨率决定了画面的精细程度。数据吞吐能力必须大于传输数据量。连续采集图像数据量由图像分辨率、像素深度、帧速度决定。
例如使用Basler Ace GigE Vision视觉面扫描相机，该相机具有以下特点:可选择从VGA到5 MP的分辨率以及CCD和CMOS传感器；通过外部连接器的1个光学隔离输入和1个光学隔离输出。
(2)布置图像背景
在静止坐标系下布置相机的背景。为了给相机提供一个纯色的无干扰的图像背景，使用纯色的幕布，并在背景中建立三个发光圆形灯，提供静止坐标系下的坐标参考点。为方便后续对图像的处理，可选择圆形灯的色彩与幕布具有较强的色差，比如使用黑色幕布和白色圆形灯(如附图2所示)，可以为图像处理提供较好的图像数据。
(3)相机采集图像处理
图像处理部分是指使用软件技术，对相机获取的二维图像进行处理，获取三个圆形灯在相机获取图像中的像素点，就可以通过数学三角函数计算，求解相机相对于静止的三个质点的相对坐标，进一步可以获得相机在静止坐标系下的三自由度信息。
图像处理方法可以选择专业的图像处理设备，获取三个灯在视野中的像素。例如图像处理可以选择NI EVS实时视觉系统，该实时视觉系统具有以下特点：实时机器视觉系统；高性能、多核处理器,适合快速检测；连接多架相机以实现同步检测。软件图像处理选择LabView提供的图像处理专用工具包，对获取的图像进行数据处理，提取图像中的色差较大的象素点，进一步定位圆形灯的圆心反映在相机图像中的象素点，作为后续解算的依据。
(4)计算平面几何关系
通过图像处理软件获取的坐标信息，坐标的几何关系如附图3所示。经简化后，可得到如附图4所示的平面几何关系图。
在坐标几何关系中，作如下设定：∠BOC为θ，∠ACO为θ1，∠BCO为θ2，∠OCP为θ3，OC边的长度为X，AO边长为L1，BO边长为L2，PQ与OB的角度为ω，θ,X,ω均为需要求解的未知数。
根据三角函数正弦定理，对三角形ACO的两个边长与角度的关系列出如下方程：
对三角形BCO两个边长与角度的关系列出如下方程：
公式(1)与(2)整理后可以得到
进一步推到可以得出：
公式(4)中，L1、L2分别表示发光物体之间的距离，可以通过长度测量工具测出。θ1表示相机获取的图像中两个指示灯的夹角，θ2与相机获取的图像中两个指示灯的夹角，θ1与θ2均与相机获取的像素成正比，可以根据相机的参数求出。公式(4)中只有一个未知数θ，求解角度θ的值。将求解出的θ代入公式(1)或者(2)，可以求取OC边长度X。
(5)计算三自由度信息
建立静止坐标系，求解当前运动中的气浮平台的三自由度信息。以O点为坐标原点，边OB作为横坐标，与横坐标垂直方向作为纵坐标，建立静止坐标系。
通过三角函数计算，在静止坐标系下，摄像头的横坐标M＝X×sin(θ)，纵坐标N＝-X×cos(θ)，转动量ω＝180-θ3-θ.即获得了相机在静止坐标系下的平动坐标和转动信息(M,N,ω)，即通过视觉获取了气浮平台的三自由度定位信息。

Claims (4)

1.一种应用于微重力环境下的三自由度定位方法，包括以下步骤：
(1)设定地面为静止坐标系，气浮平台为运动坐标系，在气浮平台上安装相机C，捕获静止坐标系下的物体坐标；
(2)使用纯色的幕布，并在背景中建立三个发光圆形灯A、O、B，提供静止坐标系下的坐标参考点；
(3)利用软件技术，对相机获取的二维图像进行处理，获取三个圆形灯在相机获取图像中的像素点；
(4)通过图像处理软件获取的坐标信息，获得坐标A、O、B、C的几何关系，设定：∠BOC为θ，∠ACO为θ1，∠BCO为θ2，∠OCP为θ3，OC边的长度为X，AO边长为L1，BO边长为L2，PQ与OB的角度为ω，θ、X、ω均为需要求解的未知数；
根据三角函数正弦定理，对三角形ACO的两个边长与角度的关系列出如下方程：
对三角形BCO两个边长与角度的关系列出如下方程：
公式(1)与(2)整理后可以得到
进一步推导可以得出：
根据上述公式求解角度θ的值，并将求解出的θ代入公式(1)或者(2)，可以求取OC边长度X；
(5)以O点为坐标原点，边OB作为横坐标，与横坐标垂直方向作为纵坐标，建立静止坐标系，通过三角函数计算，在静止坐标系下，摄像头的横坐标M＝X×sin(θ)，纵坐标N＝-X×cos(θ)，转动量ω＝180-θ3-θ，即获得了相机在静止坐标系下三自由度定位信息，即平动坐标和转动信息(M,N,ω)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于微重力环境下的三自由度定位方法，其中选择相机时，图像分辨率决定画面的精细程度，数据吞吐能力大于传输数据量，连续采集图像数据量由图像分辨率、像素深度和帧速度决定。
3.根据权利要求1所述的一种应用于微重力环境下的三自由度定位方法，其中在静止坐标系下布置相机的背景时，为了给相机提供一个纯色的无干扰的图像背景，使用纯色的幕布，并在背景中建立三个发光圆形灯，提供静止坐标系下的坐标参考点，此外为方便后续对图像的处理，选择圆形灯的色彩与幕布具有较强的色差，为图像处理提供较好的图像数据。
4.根据权利要求1所述的一种应用于微重力环境下的三自由度定位方法，其中在静止坐标系下布置相机的背景时，为了给相机提供一个纯色的无干扰的图像背景，使用纯色的幕布，并在背景中建立三个发光圆形灯，提供静止坐标系下的坐标参考点，此外为方便后续对图像的处理，使用黑色幕布和白色圆形灯，为图像处理提供较好的图像数据。
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