CN105910535B - 一种用于舱段自动对接的单双目位姿偏差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于舱段自动对接的单双目位姿偏差测量方法，包括：在舱段头和舱段体上分别设定标记点；采用双目测量装置分别检测舱段头和舱段体上标记点在世界坐标系下的三维坐标；分别获取获取舱段头和舱段体的标记点的图像；位姿偏差解算。本发明具有测量速度快、精度高、实用性较强的优点。

Description

一种用于舱段自动对接的单双目位姿偏差测量方法

技术领域

本发明属于位姿高精度测量领域，涉及一种用于舱段自动对接的单双目高精度、快速位姿偏差测量方法。

背景技术

随着航天、军工制造技术的飞速发展，对制造过程中的部件装配精度和速度均提出了更高的要求。舱段对接在航天、军工制造领域应用非常普遍，目前在我国这项工作主要靠人工手动完成。由于舱段对接部件通常体量较大，因此对接工作往往需要多人协同完成，即一个观察人员近距离、多视角察看定位销和定位孔的对准状况，并依据其观测结果给出偏差指令，其他舱段调节人员依据偏差指令手动操作调整平台改变舱段头或舱段体的空间位姿，从而减小定位销和定位孔的偏差，如此观察人员和调节人员经过多次交互最终完成舱段头舱段体的对接工作。显然，上述人工手动舱段对接方式存在很多难以克服问题，例如：1)由于生理条件的限制，导致人眼双目视觉系统对物体空间位姿偏差估计的精度不高；2)由于观察人员给出的偏差指令是定性调节指令而非定量调节指令，导致调节交互次数太多，对接效率低；3)由于偏差指令的含糊性有时会导致调节人员给出错误的调节量，损坏对接部件。由此可以看出，人工方式无法满足舱段对接的高速、高精度、高可靠性需求。

近几年，已有少数研究人员开始关注舱段自动对接的研究。如易旺民等采用激光跟踪仪实现大型舱段装配中的水平对接(期刊：计算机集成制造系统；出版年月：2015年9月；题目：大型舱段装配中的水平对接技术；页码：2354-2360)，该方法较为成熟，可以实现舱段位姿的高精度测量，但此方法有如下两个缺点：1)激光跟踪仪价格十分昂贵，导致对接成本过高，难以应用在一般性的对接场合；2)该方法需要在舱段上放置球形的靶标，使用起来不方便。专利号CN105015800A设计的舱段对接系统采用激光跟踪仪测量舱段位姿，同样存在上述激光跟踪仪的缺点。邹伟金应用双目视觉实现刚体自动对接(学位论文题目：基于双目视觉的刚体自动对接系统的研究；保存地点：江西省南昌市；保存单位：南昌大学物理系；答辩年份：2011年)，即采用双目检测调整舱段对接面圆心的三维坐标，通过与已知的基准舱段对接面圆心坐标比较，得到三个轴方向的调整量。上述双目测量实现对接的方案存在如下几个问题：1)由于仅测出舱段对接面中心点的三维位置坐标只能保证两舱段位置对齐，在舱段横滚、俯仰和偏航三个姿态无法精确对齐的前提下，对接难以实现；2)由于双目视场区域较小的限制，该方法难以对体量较大的舱段实施高精度的测量。

以上分析表明，精度低、速度慢、实用性差是目前舱段位姿测量方法存在的主要问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于舱段自动对接的单双目位姿偏差测量方法，该测量方法速度快、精度高、实用性较强。本发明的技术方案如下：

一种用于舱段自动对接的单双目位姿偏差测量方法，包括下列步骤：

1)离线状态下，在舱段头和舱段体上分别设定标记点；

2)离线状态下，采用双目测量装置分别检测舱段头和舱段体上标记点在世界坐标系下的三维坐标；

3)分别获取舱段头和舱段体的标记点的图像：

在线进行对接时，利用一个单目相机获取舱段头上标记点的图像，进而得到舱段头上标记点在此相机图像上的二维像点坐标；利用另一个单目相机获取舱段体上标记点的图像，得到舱段体上标记点在此相机图像上的二维像点坐标。

4)位姿偏差解算：

在线进行对接时，调用舱段体上标记点在世界坐标系下的三维坐标和对应在单目相机图像上的二维像点坐标，通过相机投影模型解算出舱段体上标记点在对应单目相机坐标系下的三维坐标，舱段头上标记点同理；将舱段体上标记点的三维坐标和舱段头上标记点的三维坐标转换到同一个单目相机坐标系下，之后应用奇异值分解算法(SVD)得到两组坐标的旋转矩阵和平移矩阵，即舱段头与舱段体的六自由度位姿偏差。

本发明主要优点及特色体现在如下几个方面：

1、采用单目双目结合的方式高精度测量舱段位姿。相较于传统的双目测量方案，本发明仅采用双目测量装置离线检测较小的标记点区域，从而可以实现较高的测量精度，发挥出了双目测量的优势；此外，采用单目测量得到标记点在像平面上的二维坐标，充分利用了单目测量视场区域较大的优点；本发明通过二者的有效结合实现了舱段位姿的高精度测量。

2、耗时的测量准备工作离线完成，在线位姿测量速度快。相较于人工等测量方法，本发明通过离线引出定位销和定位孔的位姿信息，以及离线测量标记点的三维世界坐标，节约了在线测量时间，在线只需用单目获得图像执行位姿偏差解算算法就可以得到舱段头的六自由度调整量，耗时极短。

3、用两个单目相机分别获取舱段头和舱段体图像，提高了精度。本发明采用两个单目相机分别检测舱段头和舱段体的标记点，相较于一个相机检测舱段头和舱段体，不但可以把标记点的成像区域放置于像平面的中心位置，防止图像边缘畸变影响测量结果；还可以使标记点成像区域尽可能覆盖像平面，达到更高的测量精度。

附图说明

图1是离线状态下将舱段体定位销位姿信息引出得到标记点的示意图；

图2是离线状态下将舱段头定位孔位姿信息引出得到标记点的示意图；

图3是离线状态下采用双目测量装置测量标记点世界坐标系下三维坐标的示意图(以舱段体为例)；

图4是在线状态下采用两个单目检测舱段头、舱段体位姿偏差的示意图；

具体实施方式

本发明提出了一种单双目位姿偏差测量方法，通过双目立体视觉与单目视觉的结合，并应用位姿偏差解算算法实现舱段头和舱段体的位姿偏差测量，单目与双目的结合具有测量速度快、精度高的优点，分为如下几个方面：

1)定位销和定位孔位姿信息的引出

离线时(还未进行对接)，采用两个高精度弧形卡具分别卡在舱段头的定位

孔(用带销的卡具)和舱段体的定位销(用带孔的卡具)中，卡具延伸部分有可以在舱段外表面喷印标记点的镂空孔，由于卡具的尺寸规格是精确已知的，因此定位销和定位孔就与舱段外表面上的标记点建立了一个固定的、相对位姿精确已知的对应关系，实现了销和孔的位姿信息从不易测量的舱段对接面到容易测量的舱段外表面的引出。

2)标记点相对位置信息高精度测量

离线状态下，采用双目测量装置分别检测舱段头和舱段体上标记点在世界坐标系(在环境中选择双目坐标系作为世界坐标系来描述摄像机和物体的位置，其中双目坐标系原点位于左相机镜舱段头中心，右手定则建立)下的三维坐标，建立数据库编号存储，等待后面位姿偏差解算算法调用。双目测量装置通过采用两个高分辨率的工业相机，合理调整相机间距、相机光轴与水平夹角使理论计算出的测量精度达到几十微米，精度较高。

3)获取标记点的高精度图像

在线(进行对接时)状态下，一个单目相机获取舱段头上标记点的图像，进而得到舱段头上标记点在此相机图像上的二维像点坐标；另一个单目相机获取舱段体上标记点的图像，得到舱段体上标记点在此相机图像上的二维像点坐标。

4)位姿偏差解算

在线状态下，微处理器调用舱段体上标记点在世界坐标系下的三维坐标和对应在单目相机图像上的二维像点坐标，通过相机投影模型解算出舱段体上标记点在对应单目相机坐标系下的三维坐标。舱段头上标记点同理。由于两个单目相机的相对位置由机械结构精确确定，所以舱段体上标记点的三维坐标和舱段头上标记点的三维坐标可以转换到同一个单目相机坐标系下，之后应用奇异值分解算法(SVD)可以得到两组坐标的旋转矩阵和平移矩阵，即舱段头与舱段体的六自由度位姿偏差。

下面结合实施例对本发明继续说明。

1、首先采用高精度弧形卡具将销和孔位姿信息引出(离线)。将带有孔的高精度弧形卡具卡在图1中舱段体1的定位销2上，卡具的弧形紧挨着舱段体的对接面，弧形上引出弧长40cm、宽20cm、厚0.5cm的蒙皮，该蒙皮与舱段外表面紧紧贴合，在蒙皮上有6个直径1cm镂空的孔，孔中心的弧线间距为5cm，用来在舱段上喷印标记点，得到标记点3。与上面的情形类似，用带销的高精度弧形卡具将图2中舱段头4的定位孔5位姿信息引出，得到标记点6。

2、采用高精度双目测量装置检测舱段头和舱段体标记点的三维世界坐标(离线)。双目测量装置采用两个像素1600万(4896*3264)的工业相机，两相机间距461mm，两相机光轴与水平夹角为20度，镜舱段头焦距83mm，经过计算可以得到一个长为150mm，宽为100mm，深度为20mm的保持精度区，该精度区x(长)、y(宽)方向精度为0.07mm，z(深度)方向精度可达到0.03mm。图3以测量舱段体为例，调整位置使标记点区域正好位于双目测量装置7保持精度区内，对舱段体上的标记点进行检测，对检测到的三维相对位置建立数据库编号存储。舱段头标记点检测同理。

3、在线对接采用两个1600万像素相机分别检测舱段头和舱段体标记点区域，得到标记点在像平面上的二维坐标。如图4所示，相机8对准舱段体上的标记点，相机9对准舱段头上的标记点。相机调用之前存储的标记点三维世界坐标(X,Y,Z)和相机像平面标记点的二维坐标(U,V)，微处理器执行位姿偏差解算算法可求得对接成功所需的舱段头的六自由度调整量，过程如下：

1)以舱段体为例，双目离线测量的六个标记点为p_i(i＝1,2,…,6)，通过测量可知这六个点的三维世界坐标，并由此确定四个虚拟的基准点o_j(j＝1,…,4)在世界坐标系下坐标：求这六个点的世界坐标在X,Y,Z三个方向的平均值，即确定为第一个基准点在世界坐标系下坐标，之后根据六个点世界坐标构造矩阵，通过该矩阵的奇异值分解得到的余下三个基准点的三维世界坐标。四个虚拟基准点坐标的加权和可以表示六个点中任意一个点坐标其中β_ij为权重，在相机坐标系下此关系依然成立。其中六个标记点的世界坐标和四个基准点的世界坐标已知，再加上条件权重β_ij一定可以求得。

2)根据标记点相机坐标系下坐标(用相机坐标系下基准点坐标的加权和表示)和像平面坐标，可建立投影关系如下：

其中k_i为投影参数，(u_i,v_i)为第i个标记点在像平面投影点坐标(根据图像可以获得)，为相机内参数矩阵(可通过相机标定获得)，其中(u_c,v_c)为图像坐标系下像平面中心点的坐标，f_u，f_v为每一个像素在图像坐标系u轴和v轴方向上物理尺寸d_u,d_v的倒数。为第j个基准点在相机坐标系下坐标，为未知量。将k_i消掉，可变换投影关系如下：

其中i＝1,2…6，上式(2)、(3)可写成：Dz＝0

其中(T代表转置)为基准点在相机坐标系下的坐标，是未知量。D为已知的12×12的矩阵，由(2)、(3)两式的系数构成。z的求解要根据D的零空间来进行。

3)将z写成如下形式：

其中为D的右奇异向量的列，可由D^TD的零特征向量求得。N为D^TD零空间的维数，且理论上通过透视投影相机获得至少6个标记点的数据，N就为1，据此进行下面的推导。因为N＝1,所以之后根据四个基准点之间的距离在世界坐标系和相机坐标系下相同来求解δ。

定义是中与基准点相机坐标系下坐标对应的子向量。如代表第一列元素组成的向量。这样一组基准点(o_i,o_j)之间的距离在世界坐标系下与相机坐标系下相同可通过下式表示：

等式右侧为两基准点在世界坐标系下间距，可由已知的第i,j个基准点在世界坐标系下坐标求得。又已知，因此可求得δ。之后根据(4)式可求得z，即四个基准点在相机坐标系下坐标，基准点表示其他标记点的权重又已知，因此可以得到舱段体上标记点在相机8坐标系下坐标。

4)同理，可以获得舱段头上标记点在相机9坐标系下坐标。相机8与相机9的相对位置又已知，这样就可以把两组标记点的坐标转换到同一个相机坐标系下，最后根据奇异值分解(SVD)算法算出一组R(旋转),T(平移)矩阵，使舱段头上标记点坐标经过旋转、平移来与舱段体上标记点坐标位姿对齐。通过这组R,T矩阵就可以解析出舱段头六个自由度的调整量，进而实现对接。

Claims (1)

1.一种用于舱段自动对接的单双目位姿偏差测量方法，包括下列步骤：

1)离线状态下，在舱段头和舱段体上分别设定标记点；

2)离线状态下，采用双目测量装置分别检测舱段头和舱段体上标记点在世界坐标系下的三维坐标；

3)分别获取获取舱段头和舱段体的标记点的图像：

在线进行对接时，利用一个单目相机获取舱段头上标记点的图像，进而得到舱段头上标记点在此相机图像上的二维像点坐标；利用另一个单目相机获取舱段体上标记点的图像，得到舱段体上标记点在此相机图像上的二维像点坐标；

4)位姿偏差解算：

在线进行对接时，调用舱段体上标记点在世界坐标系下的三维坐标和对应在单目相机图像上的二维像点坐标，通过相机投影模型解算出舱段体上标记点在对应单目相机坐标系下的三维坐标，舱段头上标记点同理；将舱段体上标记点的三维坐标和舱段头上标记点的三维坐标转换到同一个单目相机坐标系下，之后应用奇异值分解算法(SVD)得到两组坐标的旋转矩阵和平移矩阵，即舱段头与舱段体的六自由度位姿偏差。