CN108089196A - 一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置，包括激光光源、参考臂、激光距离探测器、跟踪转镜装置、CCD成像模块、数据处理模块。通过新方法建立单目视觉模块获取的图像序列与激光测距模块获得的单点距离信息的相互关系，融合红外激光光源获取的高精度深度信息和高分辨率的光学成像模块获取的图像信息，解算出最终非合作目标在中近距离下的高精度位姿信息。该装置的采用光学主被动测量方案组合，在保证高帧频探测的基础上大大缓解了数据处理压力，尤其适合空间或水下运动目标观测。具有解算快；测量精度高，测量范围广；结构简单，体积、质量、功耗小等优点，非常机器人等相关领域应用。

Description

一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置

技术领域

本发明属于非合作目标位姿测量领域，特别是一种光学主被动融合的非合作目标远位姿测量装置。

背景技术

在空间机器人的运动和操作过程中，对目标的识别和测量是其中的关键技术。由于非合作无法提供有效的合作信息，它没有安装通讯应答机制或其他主动传感器的空间目标，其它机器人不能通过电子讯问或发射信号等方式对此类目标识别或定位。在目标运动状态和空间结构未知的情况下，通过视觉等手段对目标进行识别、追踪，并对其几何结构和位姿进行精确测量，为进一步的操作提供条件。

传统的扫描式激光雷达的测量方法，虽然能够通过获取目标表面密集的三维点云信息，最终实现目标的三维重构，但其测量精度与距离平方成反比，且仅适用于近距离运动平缓的目标测量。目标通常采用Besl等提出的ICP(Iterative Closest Point)三维点云匹配算法实现对非合作目标的位姿测量。目前许多研究者正在尝试利用扫描式激光雷达图像获取非合作目标的位姿信息。加拿大Neptec公司开发的LCS(Lase Camera System)系统利用基于ICP算法的3D LASSO(three-dimensional laser camera system algorithms forspacecraft servicing on-orbit)软件能够实现非合作航天器的位姿解算，测量精度与距离平方成反比，适用于近距离运动平缓的目标测量。但目前各种处理方法军不可避免的在测量工作中会存在数据扭曲问题。

双目视觉模拟人眼成像原理，通过测量两幅图的视差，能够获取目标的三维信息。P.Jasiobedzk提出首先围绕目标运动，通过双目相机系统建立目标三维模型，并确定目标的相对位置；然后通过几何结构探索的方法确定目标的姿态。近距离跟踪过程中通过三维数据迭代最近点算法(Iterative Closest Point)进行目标姿态参数的更新，目标相对位置通过双目相机系统三角测量得到。以色列海法理工学院Segal等也建立了基于双目视觉的非合作航天器状态测量系统，首先建立目标特征点的观测模型，之后利用扩展卡尔曼滤波方法实现了对非合作航天器的位姿测量。但由于双目视觉测量精度严重依赖两相机相对位置及夹角，且成像区域仅存在于两相机的交叠区域。很难满足在空间和水下机器人对非合作目标的探测中受探测器尺寸、探测距离及精度的要求。

单目视觉是最常见也是最简单的光学传感器，已是大部分航天器上的标准装备。国外研究者将基于单目相机的机器人“即时定位和绘图(SLAM)”方法进行扩展，并成功应用到。目标的测量中。如斯坦福大学空间机器人实验室的Augenstein等仅采用贝叶斯估计方法估计姿态参数，通过陀螺仪、GPS等多种定位测量方式，采用最优化理论估计位置参数，可用于检查和维修损坏卫星或水下科学仪器，也可用于与翻滚卫星的自主教会对接。并成功在蒙特利湾水上研究院进行了外场试验。但单目视觉无法直接获取目标的深度信息，且在中远距离的测量中，缺乏对深度信息的灵敏性，目前主要用于近距离及超近距离的合作目标测量。在非合作目标位姿测量中需要与其他多种传感器配合使用，在独立系统应用方面受到限制。

面阵激光雷达是最近兴起的一种三维信息获取的重要手段，其利用光束从传感器到目标点的飞行时间来计算目标的深度信息，允许多种深度信息一次性平行获取，可以实现目标三维图像的实时获取。麻省理工学院林肯实验室处于领先地位，已完成第三代三维成像激光雷达系统(Gen-Ⅲ系统)，采用盖革模式的32*32像素APD阵列作为探测器，具有单光子探测灵敏度，具有高帧频、高距离分辨率和小型化等优点。但由于目前技术尚不成熟，无法做到高像素、高精度的三维目标测量，且其横向分辨率尚不理想，且受到设备成本高，硬件要求高等限制目前难以普及。

有人将单目视觉与激光雷达组合，如斯坦福大学宇航部的Jose Padial等人，从而提高测量精度，但整个测量装置由于相机和转镜系统的存在，体积、功耗和重量较大，难以适应复杂环境应用。

发明内容

本发明提出一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置。该测量装置将原有的激光追踪仪与被动视觉传感器结合，在可以观测到目标的前提下，对目标进行追踪，并最终解算出目标高精度的位姿信息。同时可重建出目标的三维模型。其体积小、重量轻、功耗低；结构简单，探测距离远，成本低，适用范围广；通过对相机的具体设计具有很高的适应能力。满足于未来空间及水下探测中需要的小型化、精细化、自主化和智能化特性。

本发明采用的技术方案为：一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置，包括激光光源、参考臂、激光距离探测器、带有角编码器的跟踪转镜控制装置、CCD成像模块和数据处理模块，其中：

所述激光光源为波长为红外激光光源，用于提供稳定的测量光源，与参考臂光路成直角放置；

所述参考臂包括分光镜和反射镜，用于提供参考光波相位信息，与激光光源方向垂直放置，同时保证参考光束与测量光束在激光距离探测器测量表面产生干涉；

所述激光距离探测器垂直于参考臂激光光路方向放置，用于解析参考光与测量光相位信息，解算兴趣点距离信息；

所述带有角编码器的跟踪转镜控制装置置于成像模块光学主点处，用于目标兴趣点的追踪控制；

所述CCD成像模块指向目标方向放置，位于成像镜头组后像面附近，用于获取目标图像信息同时为跟踪转镜提供指向信息。

其中，激光测距采用相位测距法，为高精度位姿解算提供精确地深度信息。

其中，所述CCD成像模块通过图像提取相应兴趣点，为跟踪转镜提供指向信息。

其中，所述数据处理模块负责目标的距离信息和图像信息的融合解算，可实现目标的二维图像序列特征点和单点激光距离信息的高精度融合并最终解算出非合作目标的位置。

本发明的原理在于：一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置，该装置包括激光光源、参考臂、距离探测器、跟踪转镜、光学成像模块、伺服控制模块、位姿解算模块、固定支架，其中：所述激光光源为波长为1650nm激光光源，用于提供稳定的单色激光；所述参考臂包括分光镜和反射镜装置，用于提供参考光波信息；所述距离探测器垂直于光路放置，用于分析参考光与测量光相位信息，解算目标点距离信息；所述跟踪转镜置于成像模块光学主点处交点，用于目标兴趣点的追踪；所述光学成像模块沿目标方向放置，用于获取目标图像信息同时为跟踪转镜提供指向信息。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明测量范围大，精度高，在百米范围内，可实现亚毫米级位置测量精度和角度测量精度。

(2)本发明体积小、重量轻、功耗少，成像模块和追踪控制模块等均为成熟产品，且不需要扫描等大型机械装置。

(3)本发明采用基于相位法的激光测距方法，可通过高精度距离信息进一步优化非合作目标的测量结果。

(4)本发明采用高分辨率CCD成像模块，在提高精度的同时，为跟踪转镜提供高精度的指向信息

(5)本发明采用带有角编码器的跟踪转镜机构，可精确反馈转镜的转动角度。

附图说明

图1为本发明光学主被动融合的非合作目标远距离测量装置测量原理图

图中附图标记含义为：1为红外激光光源，2为分光镜，3为反射镜，4为激光距离探测器，5为带有角编码器的追踪转镜控制装置，6为成像光学模块，7为CCD成像模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明基于主被动融合的非合作目标远距离高精度位姿测量装置，包括红外激光光源1、分光镜2、参考臂、激光距离探测器4、带有角编码器的跟踪转镜控制装置5、成像光学模块6、CCD成像模块7、数据处理模块，其中：

所述各器件安装位置如图1本发明测量原理示意图所示：

所述红外激光光源1用于发射特定波长的红外激光；红外激光具有一定重复频率，所述参考臂包括分光镜2和反射镜3，用于提供与测量光相干的参考脉冲；红外激光光源1发出的脉冲经分光镜2分成两束，形成具有两列具有一定脉冲时延Δτ的脉冲。所述激光距离探测器4通过解算激光的相干纹理获取目标兴趣点的距离信息；参考脉冲与测量脉冲在激光距离探测器4中产生干涉，得到时延为Δτ的参考信号I_R和测量干涉信号I_M。

所述CCD成像模块7用于获取目标高精度的图像信息，同时为跟踪转镜提供精确地指向信息：CCD成像模块7对获取图像进行处理，识别目标区域，提取目标评分最高的特征点作为兴趣点，并依据兴趣点的图像坐标向转镜提供指向信息。

所述带有角编码器的跟踪转镜控制装置5用将测量激光光束指向CCD成像模块7提供的兴趣点，带有角编码器的跟踪转镜控制装置5包括光斑坐标解算模块，伺服控制模块，电机驱动模块以及编码器四部分组成。当目标兴趣点发生横向移动时，CCD成像模块7探测其回光位置，根据光点的横向位置移动量反馈控制跟踪转镜，使得测量光线入射到目标兴趣点，跟踪转镜的角度值由安装在跟踪头上的两个编码器给出。根据激光距离探测器4探测兴趣点的回光来测量图像兴趣点的绝对位置信息，建立球坐标测量系统，可得到兴趣点x，y，z方向上的位移。x，y，z的测量精度由激光测距精度和角编码器的测角精度共同决定，公式如下：

z＝Lcosθ

被测距离L反映了测量臂和参考臂的臂长差。通过解算参考干涉信号IR和测量干涉信号IM之间的时间延迟△t，可以得到待测距离为：L。

所述数据处理模块用于融合激光距离传感器4和CCD成像模块7的数据，最终解算出高精度的目标位姿信息。其中包括数据预处理，目标物体的识别，运动模型的建立，位姿信息的解算等核心算法。其中预处理模块用于对单目视觉模块获取的图像进行畸变矫正、去噪、前景提取等处理，设定激光测距点的初始指向；目标识别用于在图像初始化之后从图像中提取目标的范围，请在其中检索出评分最高的特征点作为待测目标兴趣点，同时提取兴趣点在图像坐标系下的表示，为跟踪转镜提供精确地指向信息。在多帧测量的基础上，建立目标的运动模型，实现有限特征点的追钟，进一步提高运算效率，提高追踪的精度。最后，通过融合距离信息和图像信息，解算出待测目标精确地位姿精度。

最终解算的位姿精度，轴向距离y可用角锥棱镜顶点的绝对位置L与转镜的偏转角θ和来表示。

根据公式(4-1)可知，轴向精度δy可表示为：

由于径向移动范围只有20cm，轴向距离有60m，所以转镜的转动范围很小，θ和约为90度，代入上式可得：

由公式可知，轴向精度主要取决于激光距离探测器探测到的中心角锥回光的光谱相位信息所测得的角锥顶点的绝对距离精度，即取决于激光干涉所得测距精度。目前实验室的激光测距模块精度已经在100米范围内，实现了0.1mm的测距精度，即100m处测距精度可达到100μm左右。

径向位置信息x和z可用角锥棱镜顶点的绝对位置L与转镜的偏转角θ和来表示。

z＝Lcosθ

当θ和约为90度，径向精度δx，δz可表示为：

其中θ和由高精度CCD成像模块7和角编码器联合提供，精度小于1″，可知，横向精度在100m处精度达0.01mm。

同时，融合以上位置信息，采用高精度的位姿解算算法，计算待测目标姿态，EPnP算法下，姿态精度50″。

本发明未详述部分属于本技术领域的公知技术。以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置，其特征在于：包括激光光源(1)、参考臂、激光距离探测器(4)、带有角编码器的跟踪转镜控制装置(5)、CCD成像模块(7)和数据处理模块，其中：

所述激光光源为波长为红外激光光源(1)，用于提供稳定的测量光源，与参考臂成直角放置；

所述参考臂包括分光镜(2)和反射镜(3)，用于提供参考光波相位信息，与激光光源方向垂直放置，同时保证参考光束与测量光束在激光距离探测器(4)测量表面产生干涉；

所述激光距离探测器(4)表面垂直于参考臂放置，用于解析参考光与测量光相位信息，解算兴趣点距离信息；

所述带有角编码器的跟踪转镜控制装置(5)置于成像模块镜头组光学主点处，用于目标兴趣点的追踪控制；

所述CCD成像模块(7)指向目标方向放置，位于成像镜头组后像面附近，用于获取目标图像信息同时为跟踪转镜提供指向信息。

2.根据权利要求1所述的光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置，其特征在于：激光测距采用相位测距法，为高精度位姿解算提供精确地深度信息。

3.根据权利要求1所述的光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置，其特征在于：所述CCD成像模块(7)通过图像提取相应兴趣点，为跟踪转镜提供指向信息。

4.根据权利要求1所述的光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置，其特征在于：所述数据处理模块负责目标的距离信息和图像信息的融合解算，可实现目标的二维图像序列特征点和单点激光距离信息的高精度融合并最终解算出非合作目标的位置和姿态。