CN105783880A - 一种单目激光辅助舱段对接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单目激光辅助舱段对接装置，包括中央处理器、底座(1)、单目摄像机、二自由度转台、激光测距仪和两个电动马达，支撑单目摄像机的摄像机支架(2)固定在底座(1)上并伸出安装平面一定距离以获得需要的视野；二自由度转台包括主轴(3)和载物台(7)，载物台(7)安装在主轴(3)上；激光测距仪(8)固定在二自由度转台的载物台(7)上，二自由度转台的主轴(3)具有一定的长度以使固定在载物台(7)上的激光测距仪获得和单目摄像机视野相似的激光点可达范围。本发明同时提供一种采用所述的单目激光辅助舱段对接装置实现的辅助对接方法，本发明可同时对两待对接舱段体进行测量。

Description

一种单目激光辅助舱段对接装置及方法

所属技术领域

本发明涉及一种利用三维测量辅助舱段进行对接的装置，具体是使用激光测距仪辅助单目摄像机实现对两对接舱段的三维坐标和姿态测量。

背景技术

三维测量技术，就是对物体的三维信息进行直接量测或间接估计的技术。与传统的二维图像信息相比，物体的三维信息能够更全面、真实地反映客观物体，为人们提供更多的信息量。三维测量主要包括接触式和非接触式两大类。对接技术，是指不同的部件间会合并结合为统一整体的技术。对接装置包含两个对接舱段体间的位置、姿态偏差检测装置。

目前存在的三维测量辅助舱段对接转置分为光学主动式和光学被动式。使用激光扫描的方法进行三维重建属于光学主动式测量，使用单目或双目的方法是光学被动式测量。激光扫描法经过激光测距，通过光学三角形原理分别得到两舱段体的深度点云数据，进而重构出舱段体的三维位置、姿态信息，但使用这种方式对舱段体的表面特性、反射率、复杂程度等有较大限制，且如果使用单个激光探头则需要的测量时间较长，若使用多个激光探头同时测量又面临着成本高的问题。现有的用于辅助舱段对接的装置主要是激光跟踪仪，它的原理是使用一面可旋转的平面镜反射激光器发射的激光，使激光照射到贴在待对接部件表面的反射镜，反射镜反射激光沿相同的光路返回照射到激光跟踪仪的光电接收元件上并同时完成测距，一旦反射镜跟随部件移动，反射镜将自动调整相应的角度以确保激光对反射镜的跟踪。使用激光跟踪仪可以获得较高的对接精度和速度，但它的缺点也很明显：需要在对接部件上加装反射镜和200～300万元一台的高昂价格。

使用单个摄像机可以获得舱段体二维位置信息，为了实现三维测量，需对舱段体进行多次不同像距下的拍摄测量，摄像机的焦距和像距已知时，可由透镜成像原理求得物距，即舱段体的深度信息，经过对两舱段体上多点进行三维测量后，可得到舱段体的姿态信息。单目法测量精度受到镜头景深和焦距深度的限制，且不同深度区域需要进行多次聚焦和拍摄多幅图像，因而测量速度也慢。

双目立体视觉法使用两台摄像机对两对接舱段体进行拍摄，类似于人眼成像的原理，两台摄像机图像匹配后由几何关系可以得到两舱段体的深度信息，同样经过对两舱段体的多个不同点的三维测量后可以得到两舱段体的姿态信息。但双目测量系统需要在两摄像机图像中进行定点匹配，计算过程复杂且整体测量精度低、深度信息不准确。

上海砺晟光电技术有限公司提出一种使用激光测距仪辅助单目摄像机进行三维测量的装置{专利CN201510248456.4}。该转置使用激光测距仪获得物体的深度信息，使用摄像机获得物体的二维平面信息。但此转置只能进行二维平面物体的三维测量，无法对圆柱或圆锥形的舱段体进行三维测量且无法对舱段体的姿态进行测量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种基于单目激光三维测量辅助舱段对接的装置。本发明需利用舱段体上的视觉标志点进行测量。本发明的技术方案如下：

一种单目激光辅助舱段对接装置，包括中央处理器、底座(1)、单目摄像机、二自由度转台、激光测距仪和两个电动马达，单目摄像机得到的视频信息和激光测距仪的测距结果均被送入中央处理器。其中，

支撑单目摄像机的摄像机支架(2)固定在底座(1)上并伸出安装平面一定距离以获得需要的视野，视野范围内应包含两个待对接舱段的连接部分；

二自由度转台包括主轴(3)和载物台(7)，载物台(7)通过主轴(3)上的安装孔(9,11)安装在主轴(3)上；主轴(3)可绕自身轴线做360°转动，载物台(7)可绕安装孔(9,11)的轴线(6)做360°转动；激光测距仪(8)固定在二自由度转台的载物台(7)上，二自由度转台的主轴(3)具有一定的长度以使固定在载物台(7)上的激光测距仪获得和单目摄像机视野相似的激光点可达范围；

两个电动马达，用于在中央处理器的控制下驱动二自由度转台的主轴(3)和载物台(7)运动。

本发明同时提供一种采用所述的单目激光辅助舱段对接装置实现的辅助对接方法，该方法在需要通过在对接的两个舱段上设置视觉标志点进行测量，中央处理器在单目摄像机视野中识别出视觉标志点和激光测距仪发出的激光点，并获得视觉标志点的平面二维坐标，之后控制二自由度转台转动将激光点打到视觉标志点获得视觉标志点的深度坐标，根据视觉标志点的深度坐标计算得到两待对接舱段体的姿态和位置差。

本发明设计了一种二自由度旋转机构，激光测距仪加装在旋转机构上，可以实现激光测距仪二自由度运动，从而单个激光测距仪可对舱段体上多点测距，结合摄像机测得的二维信息，可以得到待对接舱段体的三维位置、姿态信息，实现辅助舱段对接功能。相对于其他基于三维测量方式的辅助舱段对接转置来说，本发明具有以下有益效果及优点：操作简单，免去了纯单目测量方式的调焦环节，可实现全自动化测量；本发明结合了单目摄像机对平面坐标的高测量精度和激光测距仪对深度测量的高精度，系统整体精度高；本发明可同时对两待对接舱段体进行测量，提高了对接效率；相较于激光跟踪仪辅助对接，本发明不要求舱段体表面添加过多附件，且成本低。

附图说明

图1为本发明的总体示意图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明一种实施方案的总体示意图。

图4为本发明一种实施方案的对接端局部放大示意图。

图5为本发明一种实施方案的辅助计算示意图。

具体实施方式

本发明根据待对接舱段体为圆柱体，由数学知识可知，若得到圆柱面上4个或以上的不共线的点的三维坐标，即可通过圆柱方程得到圆柱体轴线方程，根据两待对接舱段体轴线方程可得到两舱段体的姿态差距和垂直于柱形舱段体轴向的2个位置坐标差距。待舱段体表面加工精度一般不满足对接要求，需要通过卡具等将更精确的对接定位装置位置信息引出到舱段体外表面的4个或以上的不共线视觉标志点上，由于卡具相同，所以视觉标志点在每个舱段体上的附着位置相同。

本发明在使用之前需要进行必要的准备工作：使用信号线连接中央处理器和底座(1)上的接线端子(10)。调整并固定底座(1)的位置，使辅助舱段对接装置的单目摄像头的光心大致处于待对接舱段的中间位置，根据单目摄像机的视角确定镜头(4)距离待对接舱段的距离。调整二自由度转台的转动角度，使激光测距仪(8)出光方向平行于单目摄像机光轴。激光测距仪(8)出光点和单目摄像机镜头(4)光心之间的坐标转换关系由装置设计尺寸确定。

准备工作完成后，本发明检测待对接舱段体间的位置、姿态误差的步骤是：

[1]中央处理器在单目摄像机的视频信息中辨识其中一个舱段表面视觉标志点和激光测距仪(8)产生的激光光点，并由摄像机图像获得所有标志点的二维平面坐标；

[2]根据单目摄像机的激光点的图像控制转台转动，使激光测距仪(8)的光点移动至其中一个已识别视觉标志点中心处；

[3]转台停止转动，中央处理器获得激光测距结果；

[4]中央处理器根据转台主轴和载物台转过的角度再结合准备工作中已得到的激光测距仪(8)和摄像机光心的坐标转换关系得到视觉标志点深度坐标；

[5]按上述步骤[2]～[4]继续测量舱段体外圆柱面上其余视觉标志点的深度坐标，根据舱段体方程得到舱段体的位置和姿态信息；

[6]使用相同的方法测量另一舱段体的位置和姿态信息，最终可以得到两待对接舱段体的位置、姿态差。

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案和实施方法为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不受限于下述实施例的描述。

本发明涉及一种基于单目激光三维测量的辅助舱段对接装置，其组成如图1、2所示。包括底座(1)、单目摄像机支架(2)、转台主轴(3)、转台载物台(7)、单目摄像机镜头(4)、单目摄像机外壳(5)、激光测距仪(8)、接线端子(10)等。二自由度转台载物台(7)安装在主轴(3)的安装孔内，激光测距仪(8)安装在转台载物台上，这样激光测距仪(8)就可以实现达到任意俯仰、滚转角的二自由度运动。中央处理器通过接线端子(10)获得单目摄像机视频信息和控制转台转动。

本发明进行辅助舱段对接的工作环境和工作过程如下：舱段对接环境如图3所示。舱段1(15)由调姿小车1(14)运载，舱段2(16)由调姿小车2(17)运载。辅助对接装置的底座(1)和中央处理器都已经嵌入到调姿小车1(14)中，只将单目摄像机、转台和激光测距仪(8)暴露在外，单目相机镜头垂直朝向上，激光测距仪(8)的初始朝向与单目摄像机光轴朝向平行也指向上。仰视方向的对接面局部放大视图如图4所示。在每个舱段体的伸出部分的下沿贴有4个呈正三角形及其几何中心排列的红色视觉标志点(18)。

本实施例中两舱段体的对接面直径2R＝80cm，对接端伸出部分长度都为15cm，视觉标志点的直径为2cm，每组4个视觉标志点组成的正三角形边长10cm，单目摄像机镜头距离舱段体1最下沿60cm。单目摄像机的视角为60.5°，焦距为4.11mm，采用0.5英寸CCD，CCD长宽比为4:3，分辨率为2333×1750。摄像机支架长330mm，转台主轴伸出长度390mm。激光测距仪的测量精度为±0.015mm。激光测距仪初始位置和单目摄像机光心的坐标差为

D＝[D_xD_yD_z]^T

本发明装置具体辅助舱段对接的工作过程是：

对接开始前，舱段体1和舱段体2在吊装和调姿小车载运后，对接差距已经较小。

对接开始后，中央处理器接收单目摄像机的视频信息并进行对视觉标志点的辨识工作，辨识成功后，中央处理器得出8个视觉标志点圆心在单目摄像机CCD上的像的像素位置；同时激光测距仪打开，中央处理器在视野中辨识激光测距仪发出的激光光点(由于视觉标志点是红色，这里可采用绿色激光)。若在视野中无法找到并辨识出激光光点，则中央处理器控制转台载物台转动，直到激光光点移动到舱段体外周上，便可找到并辨识出激光光点。中央处理器计算视野中的激光点和一个视觉标志点的位置差值，结合差值处理器控制转台的两个转轴转过对应的角度以使激光测距仪光点移动到视觉标志点的圆心处。处理器记录此时转台的第一、二转轴与初始位置的角度差θ₀、并读取激光测距仪的测量结果l₀。

对接最后，中央处理器继续控制转台转动，使激光测距仪光点移动到其他7个视觉标志点的圆心处，并记录相同的参数θ_i、和l_i(i＝1～7),处理器经综合计算后，给出舱段体1和2间的位置、姿态差，并发送给调姿小车进行调姿。

综合计算的过程如下：

1.建立坐标系

附图5为单目加激光系统测量示意图。图中O点为摄像机镜头中心，D点为激光器激光射出点，S点为激光点打到舱段外部标签上的位置。首先以光心O点作为原点建立坐标系{C}，OR方向代表摄像机的光轴方向即垂直向上，坐标系的Z方向和此重合，X方向垂直于Z方向且水平指向左。Y方向指向后。在D点建立和O点相似的坐标系{J}，，DQ为{J}系的Z轴方向，X、Y和Z的方向和在O点建立的坐标系一致，只是原点的位置不同。二者转换矩阵为D。

2.获取深度即Z向坐标

附图5中DQ平行于OR，DS的长度l是激光测距仪的输出结果，做SD在XOZ平面上的投影得到PD，它的长度是k。∠SDP即为主轴相对初始位置转过角度＝θ和∠PDQ即为载物台相对初始位置转过是已知的。则S点在{J}系的坐标为：

在{C}系中，S点的坐标为

在{C}系中S点坐标的Z向分量即为深度坐标为

3.根据圆柱方程确定待对接舱段体位置、姿态差

在{C}系中，由单目摄像机导出视觉标志点的X向、Y向坐标为(x_i，y_i)，则视觉标志点的三维坐标为(x_i，y_i，z_i)。以舱段体1的轴线中点为原点建立坐标系{P1}，Z向为舱段体1轴线指向对接面，X向垂直于Z向且指向某一视觉标志点i，依据右手坐标系准则建立Y轴方向。以舱段体2的轴线中点为原点建立坐标系{P2}，Z向为舱段体2轴线背向对接面，X向垂直于Z向且指向和i对称位置的视觉标志点，依据右手坐标系准则建立Y轴方向。在{P1}系中外圆柱面1的方程1为

$\{\begin{array}{c}{a_i}^2+{b_i}^2=R^2\\ c_i\∈(-\mathrm{\∞},+\mathrm{\∞})\end{array}---\left(1\right)$

式中R为舱段体半径为已知。视觉标志点i(i＝0～3)在{P1}系中的表示为(a_i，b_i，c_i)(i＝0～3)，则其满足上述方程1。

在{P2}系中外圆柱面2的方程2为

$\{\begin{array}{c}{d_i}^2+{e_i}^2=R^2\\ f_i\∈(-\mathrm{\∞},+\mathrm{\∞})\end{array}---\left(2\right)$

式中R同上为已知。视觉标志点i(i＝4～7)在{P2}系中的表示为(d_i，e_i，f_i)(i＝4～7)，则其满足上述方程2。

设世界坐标系与坐标系{P1}之间的转换关系为3×3的旋转矩阵R1和3×1的平移矩阵T1。

$\begin{array}{cccc}R1=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right]& T1=\left[\begin{array}{c}{t}_1\\ t_2\\ t_3\end{array}\right]& W2=\left[\begin{array}{ccc}{w}_{11}& w_{12}& w_{13}\\ w_{21}& w_{22}& w_{23}\\ w_{31}& w_{32}& w_{33}\end{array}\right]& Q2=\left[\begin{array}{c}{q}_1\\ q_2\\ q_3\end{array}\right]\end{array}$

世界坐标系与坐标系{P2}之间的转换关系为3×3的旋转矩阵W2和3×1的平移矩阵Q2。R1和W2的各元素分别与{P1}系和{P2}系相对于世界坐标系的三个姿态角有关。舱段体1和2上的两组视觉标志点在世界坐标系中的坐标是已知的，根据上述转换矩阵的关系有如下方程

R1*[x_i，y_i，z_i]^T+T1＝[a_i，b_i，c_i]^T(i＝0～3)(3)

W2*[x_i，y_i，z_i]^T+Q2＝[d_i，e_i，f_i]^T(i＝4～7)(4)

上述两方程(3)、(4)和方程(1)、(2)联立且只对R1、W2和T1、Q2的前两行进行求解，根据R1、W2前两行的结果可以计算得到世界坐标系转换到{P1}系、{P2}系需要转过的俯仰、滚转、偏航三个角度的大小，根据T1、Q2前两行的计算结果可得世界坐标系转换到{P1}系、{P2}系的X和Y方向的距离差。以上两组结果的差值即为舱段体1和2之间的姿态和三维位置差。

Claims (2)

1.一种单目激光辅助舱段对接装置，包括中央处理器、底座(1)、单目摄像机、二自由度转台、激光测距仪和两个电动马达，单目摄像机得到的视频信息和激光测距仪的测距结果均被送入中央处理器。其中，

支撑单目摄像机的摄像机支架(2)固定在底座(1)上并伸出安装平面一定距离以获得需要的视野，视野范围内应包含两个待对接舱段的连接部分；

二自由度转台包括主轴(3)和载物台(7)，载物台(7)通过主轴(3)上的安装孔(9,11)安装在主轴(3)上；主轴(3)可绕自身轴线做360°转动，载物台(7)可绕安装孔(9,11)的轴线(6)做360°转动；激光测距仪(8)固定在二自由度转台的载物台(7)上，二自由度转台的主轴(3)具有一定的长度以使固定在载物台(7)上的激光测距仪获得和单目摄像机视野相似的激光点可达范围；

两个电动马达，用于在中央处理器的控制下驱动二自由度转台的主轴(3)和载物台(7)运动。

2.一种采用权利要求1所述的单目激光辅助舱段对接装置实现的辅助对接方法，该方法在需要通过在对接的两个舱段上设置视觉标志点进行测量，中央处理器在单目摄像机视野中识别出视觉标志点和激光测距仪发出的激光点，并获得视觉标志点的平面二维坐标，之后控制二自由度转台转动将激光点打到视觉标志点获得视觉标志点的深度坐标，根据视觉标志点的深度坐标计算得到两待对接舱段体的姿态和位置差。