CN109781068A - 面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统和方法，系统包括相机、视觉标记、电子经纬仪三维测量系统、六自由度数显调整台、LED灯阵列和太阳模拟器；太阳模拟器和LED灯阵列模拟空间光照条件，六自由度数显调整台固定支撑视觉标记，并带动视觉标记进行匀速运动，相机采集视觉标记图像，并输出位姿测量值，电子经纬仪三维测量系统获取相机和视觉标记之间的位姿真值，将测量值与真值进行对比评估相机的位姿测量精度，所述方法涉及：极端光照环境模拟、极限运动状态预估和相机的位姿测量精度评估，本发明系统及方法能够全面模拟评估在轨状态下相机对空间目标的三维姿态测量精度及目标在极限运动状态下相机的鲁棒性。

Description

面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统及方法

技术领域

本发明属于光电测量领域，具体涉及一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统及方法。

背景技术

近年来，伴随着人工智能技术的异军突起，以空间机械臂为典型代表的空间机器人已经逐步发展成为航天科技领域不可或缺的重大关键技术之一，尤其是对空间站在轨服务、深空探测等方面具有举足轻重的意义。截止目前，国外成功案例主要有：加拿大航天飞机遥操作机械臂SRMS、加拿大国际空间站遥操作机械臂SSRMS、日本试验卫星机械臂ETS-VII、美国好奇号火星车Curiosity以及NASA舱内空间服务机器人Robonaut2等。上述空间机器人配置可见光视觉测量系统，不仅能够采集工作区域内的图像信息，还能够实时、精确估计空间合作目标的三维位置姿态信息，直接参与整器路径规划及运动控制，形成视觉闭环自主控制回路，显著提高机器人末端执行器的绝对定位精度，确保完成各项精细化操作任务。因此，可见光视觉测量系统的目标位姿测量功能性能及其精度水平是衡量空间机器人精细操作任务成败的关键技术指标。

视觉测量系统主要由相机和视觉标记组成，其核心功能是目标三维位姿测量，通常可利用单目或双目相机实时采集包含上述视觉标记的图像信息，准确估计空间目标的三维位置姿态等信息。目前，对于合作目标三维位姿视觉测量精度评定的理论研究和成果相对成熟。例如，GJB 8538-2015《单(多)目视觉测量系统标定与精度测试方法》从原理上系统阐述了视觉测量系统标定与精度测试方法；T/CIE048-2017《空间机器人可见光位姿测量精度地面试验要求》规定了视觉测量系统开展位姿精度地面试验项目和要求；郝颖明在《基于点特征的位姿测量精度与鲁棒性研究》文献中，针对三点式视觉标记图案设计，以提高单目视觉测量系统的精度为目的开展单目视觉测量鲁棒性研究，基于理论简化条件下的假设前提，推导出测量误差与相机标定误差、目标模型误差、图像坐标检测误差之间的关系表达式，结合一般条件下的误差统计分析，得出上述参数指标对测量结果的影响趋势以及各项因素误差合成等结论。谭启蒙等在《合作目标单目视觉测量误差系统及误差限量化方法》国家发明专利文献中，针对合作目标单目视觉测量，提出了一种误差限量化方法，分层次制定了一系列误差分配策略；王飞等在《一种空间三维视觉技术验证方法》国家发明专利文献中，提出一种空间三维视觉计算验证方法，通过将空间点三维坐标带入位姿数据计算二维图像重投影误差，以此作为位姿精度量化指标。上述研究均是围绕位姿精度关键特性地面常规测试开展，而对于视觉测量系统所处的空间应用场景光照条件复杂性考虑尚处于空白，根本难以保证目标位姿测量功能性能的在轨正确率和成功率，故无法满足面向空间应用的视觉测量系统地面模拟试验的实际需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统及方法，不仅能够量化评估所测目标位姿的测量精度水平能否满足机器人在轨服务的指标需求，还能摸底相机的目标位姿测量功能对目标极限运动状态的适应能力。

实现本发明的技术方案如下：

一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统，包括相机、视觉标记、电子经纬仪三维测量系统、六自由度数显调整台、LED灯阵列和太阳模拟器；其中，太阳模拟器和LED灯阵列分别用于模拟视觉标记和相机的空间光照条件，六自由度数显调整台固定支撑视觉标记，并带动视觉标记进行匀速运动，相机采集视觉标记图像，并输出视觉标记的位姿测量值，电子经纬仪三维测量系统获取相机和视觉标记之间的位姿真值，将测量值与真值进行对比评估相机的位姿测量精度。

进一步地，相机和视觉标记表面均固定安装立方镜，电子经纬仪三维测量系统通过对相机和视觉标记的立方镜进行测量获得相机和视觉标记之间的位姿真值。

进一步地，太阳模拟器的光照强度不低于10⁵勒克斯。

进一步地，LED灯阵列的光照强度不低于105勒克斯，LED灯阵列的入射光线与相机的光轴呈45°夹角照射相机镜头。

进一步地，一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估方法，包括以下步骤：

步骤一、调节太阳模拟器以设定的入射角度照射视觉标记表面，调整视觉标记与相机沿光轴方向的间距为设定值；

步骤二、将视觉标记调整至相机视场边缘处，记为初始位置，利用电子经纬仪三维测量系统测量相机与视觉标记之间的位姿真值，并用相机采集初始位置处的视觉标记图像，并输出视觉标记的三维位姿，即得到相机与视觉标记之间的位姿测量值，将位姿测量值与对应的位姿真值相比较，二者之差即为相机在初始位置的测量误差；

步骤三、设置六自由度数显调整台在垂直光轴的平面上做匀速运动，且匀速运动的速度小于相机与视觉标记之间相对运动速度阈值，相对运动速度阈值即为相机所采集图像因视觉标记速度过快而模糊的速度临界值；

步骤四、视觉标记随六自由度数显调整台以预设速度匀速移动时，相机按照预设的曝光时间采集视觉标记的图像，并实时输出的视觉标记的位姿数据，记为位姿测量值，根据相机的曝光时间及视觉标记的速度计算视觉标记在不同时刻的位置数据，该位置数据与步骤二中电子经纬仪三维测量系统测得的位姿真值中的姿态数据组成多组视觉标记的位姿真值，将多组位姿真值和与之对应的位姿测量值相比较，得到相机在视觉标记运动状态下的测量误差；

步骤五、设置视觉标记运动至相机另一侧视场边缘后停止，记为终止位置，按照步骤二的操作，得到相机在终止位置的测量误差。

步骤六、改变太阳模拟器的入射角度、视觉标记与相机沿光轴方向的间距及六自由度数显调整台的速度，重复执行步骤一至步骤五，得到不同工况下的相机测量误差。

进一步地，相机与视觉标记相对运动速度阈值v为：

其中，f为相机焦距；μ为单个像元尺寸大小，d为相机与视觉标记之间的观测距离，T_曝为相机单次曝光时间。

进一步地，在步骤二、步骤四和步骤五中，相机按照先双目后单目的测量顺序采集视觉标记图像，从而获得双目及单目两种模式下的位姿测量值。

进一步地，调节太阳模拟器以不同的入射角度：0°、45°、90°、135°和180°照射视觉标记表面。

有益效果：

1、本发明提供的面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统及方法能够模拟在轨极端恶劣的空间光照环境，并设定相机与视觉标记之间的相对运动极限状态，有效解决了相机对视觉标记位姿测量精度水平及其对极端光照环境、极限运动状态适应能力与鲁棒性等量化评价问题。

2、本发明提供的面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估方法能够同时兼顾评估采用单目或者双目测量模式下的静态或者动态目标位姿测量功能性能。

3、本发明提供的相机与视觉标记相对运动速度阈值，能够准确预估相机与视觉标记之间的相对运动极限状态。

4、利用本发明方法所得到试验数据不仅能够直接作为产品验收的重要依据之一，直观衡量待测目标位姿测量精度这一关键特性能否满足整体任务需求；还可为后续在轨应用或者其他空间智能机器人视觉测量系统的研制提供可靠支撑和参考依据。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统，包括相机、视觉标记、电子经纬仪三维测量系统、六自由度数显调整台、LED灯阵列和太阳模拟器；其中，太阳模拟器和LED灯阵列分别用于模拟视觉标记和相机的空间光照条件，太阳模拟器主要模拟在轨太阳光照环境，太阳模拟器的光照强度不低于10⁵勒克斯。LED灯阵列主要模拟相机周围的杂散光干扰情况，LED灯阵列的光照强度不低于10⁵勒克斯，LED灯阵列的入射光线与相机的光轴呈45°夹角照射相机镜头。六自由度数显调整台用于固定支撑视觉标记，并带动视觉标记进行匀速运动，相机采集视觉标记图像，并输出视觉标记的位姿测量值，电子经纬仪三维测量系统获取相机和视觉标记之间的位姿真值，将测量值与真值进行对比评估相机的位姿测量性能。其中，相机和视觉标记表面均固定安装立方镜，电子经纬仪三维测量系统通过对相机和视觉标记的立方镜进行测量获得相机和视觉标记之间的位姿真值。

预估相机与视觉标记相对运动速度阈值v，具体过程如下：

视觉相机执行目标位姿动态测量过程中，倘若相机与视觉标记之间的运动速度不匹配，相机拍摄的标记图像极有可能产生由于运动模糊所导致的图像拖影现象。出现这种现象的原因主要包括两个方面：机器人执行机构自身径向抖动速度(主要是垂直于光轴方向的运动速度)过大、目标自身运动速度过快。现阶段，运动模糊主要是指由一次曝光时间内目标的像在传感器像面上的移动距离超过1个像元，此时即可定义为相机与目标之间的相对运动极限状态，即为二者之间的相对运动速度极限阈值。

为避免上述成像模糊问题，就需要对相机与视觉标记之间的相对运动极限状态进行准确预估，则二者之间的相对运动速度极限阈值的计算过程如下：

假设相机的焦距为f，单个像元尺寸大小为μ，相机的成像分辨力(即一个像元所对应的物理距离)为Ω，相机与标记之间的观测距离为d。则视觉标记在相机中进行光学清晰成像应满足下列关系：

倘若单次曝光时间内，相机拍摄的标记图像出现模糊问题，则可认为标记点在图像平面中至少发生了n个像素的偏移，其中，n取正数，通常可取1/3、1/2、1、2。将像面中的像素偏移转换至三维空间的物理距离，上式可整理为：

假设相机单次曝光时间为T_曝，其相对于标记的运动速度为v，则有

n×Ω＝T_曝×v (3)；

因此，视觉标记与相机之间的相对运动速度即可表示为：

此处，令n＝1，上式可进一步整理为：

上述计算公式即可计算出视觉标记与相机之间的相对运动速度极限阈值(主要是指垂直于相机光轴方向的运动速度)的上限要求。

一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估方法，包括以下步骤：

步骤一、合理规划经纬仪、相机、视觉标记以及六自由度数显调整台在测试现场的站位布局，确保经纬仪与相机在整个位姿测量过程中的三维位置和姿态始终保持不变，调节太阳模拟器以设定的入射角度照射视觉标记表面，调整视觉标记与相机沿光轴方向的间距为设定值；

步骤二、视觉标记固定在六自由度数显调整台上，将视觉标记调整至相机视场边缘处，记为初始位置，布设至少3台电子经纬仪的实际站位，构建电子经纬仪三维测量系统坐标系，依次瞄准相机立方镜坐标系和视觉标记立方镜坐标系，精确测得从相机立方镜坐标系至视觉标记立方镜坐标系之间的位姿真值；并用相机采集初始位置处的视觉标记图像，并输出视觉标记的三维位姿，结果含3个位置平移量和3个姿态旋转角，进而得到从相机立方镜坐标系至视觉标记立方镜坐标系之间的位姿测量值，将上述位姿测量值与对应的位姿真值相比较，二者之差即为相机在某一速度工况的初始位置的测量误差；

步骤三、设置六自由度数显调整台在垂直光轴的平面上做匀速运动，通过调节六自由度数显调整台的运动速度以构建相机与视觉标记之间不同的运动状态工况，且匀速运动的速度小于相机与视觉标记之间相对运动速度阈值，相对运动速度阈值即为相机所采集图像因视觉标记速度过快而模糊的速度临界值；

步骤四、视觉标记随六自由度数显调整台以预设速度匀速移动时，相机按照预设的曝光时间采集视觉标记的图像视频流，并实时输出的视觉标记的位姿数据，记为位姿测量值，根据相机的曝光时间及视觉标记的速度计算视觉标记在不同时刻的位置数据，该位置数据与步骤二中电子经纬仪三维测量系统测得的位姿真值中的姿态数据组成多组不同时刻视觉标记的位姿真值，将多组位姿真值和与之对应的位姿测量值相比较，得到相机在视觉标记运动状态下的测量误差；

步骤五、设置视觉标记运动至相机另一侧视场边缘后停止，记为终止位置，按照步骤二的操作，得到相机在该速度工况的终止位置测量误差。

步骤六、改变太阳模拟器的入射角度、视觉标记与相机沿光轴方向的间距及六自由度数显调整台的速度，重复执行步骤一至步骤五，得到不同工况下的相机测量误差。所述太阳模拟器分别以入射角度0°、45°、90°、135°和180°照射视觉标记表面。

在步骤二、步骤四和步骤五中，相机按照先双目后单目的测量顺序采集视觉标记图像，从而获得双目及单目两种模式下的位姿测量值。

将上述试验数据进行统计记录，即可得到不同光照环境、不同相机与目标间距以及不同的相对运动速度下，相机的测量精度的量化评估结果。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统，其特征在于，包括相机、视觉标记、电子经纬仪三维测量系统、六自由度数显调整台、LED灯阵列和太阳模拟器；其中，太阳模拟器和LED灯阵列模拟空间光照条件，六自由度数显调整台固定支撑视觉标记，并带动视觉标记进行匀速运动，相机采集视觉标记图像，并输出视觉标记的位姿测量值，电子经纬仪三维测量系统获取相机和视觉标记之间的位姿真值，将测量值与真值进行对比评估相机的位姿测量精度。

2.如权利要求1所述的一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统，其特征在于，相机和视觉标记表面均固定安装立方镜，电子经纬仪三维测量系统通过对相机和视觉标记的立方镜进行测量获得相机和视觉标记之间的位姿真值。

3.如权利要求1所述的一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统，其特征在于，太阳模拟器的光照强度不低于10⁵勒克斯。

4.如权利要求1所述的一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统，其特征在于，LED灯阵列的光照强度不低于10⁵勒克斯，LED灯阵列的入射光线与相机的光轴呈45°夹角照射相机镜头。

5.一种应用于权利要求1的系统的模拟评估方法，包括以下步骤：

步骤一、调节太阳模拟器以设定的入射角度照射视觉标记表面，调整视觉标记与相机沿光轴方向的间距为设定值；

步骤二、将视觉标记调整至相机视场边缘处，记为初始位置，利用电子经纬仪三维测量系统测量相机与视觉标记之间的位姿真值，并用相机采集初始位置处的视觉标记图像，并输出视觉标记的三维位姿，即得到相机与视觉标记之间的位姿测量值，将位姿测量值与对应的位姿真值相比较，二者之差即为相机在初始位置的测量误差；

步骤三、设置六自由度数显调整台在垂直光轴的平面上做匀速运动，且匀速运动的速度小于相机与视觉标记之间相对运动速度阈值，相对运动速度阈值即为相机所采集图像因视觉标记速度过快而模糊的速度临界值；

步骤四、视觉标记随六自由度数显调整台以预设速度匀速移动时，相机按照预设的曝光时间采集视觉标记的图像，并实时输出的视觉标记的位姿数据，记为位姿测量值，根据相机的曝光时间及视觉标记的速度计算视觉标记在不同时刻的位置数据，该位置数据与步骤二中电子经纬仪三维测量系统测得的位姿真值中的姿态数据组成多组视觉标记的位姿真值，将多组位姿真值和与之对应的位姿测量值相比较，得到相机在视觉标记运动状态下的测量误差；

步骤五、设置视觉标记运动至相机另一侧视场边缘后停止，记为终止位置，按照步骤二的操作，得到相机在终止位置的测量误差。

步骤六、改变太阳模拟器的入射角度、视觉标记与相机沿光轴方向的间距及六自由度数显调整台的速度，重复执行步骤一至步骤五，得到不同工况下的相机测量误差。

6.如权利要求5所述的一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估方法，其特征在于，相机与视觉标记相对运动速度阈值v为：

其中，f为相机焦距；μ为单个像元尺寸大小，d为相机与视觉标记之间的观测距离，T_曝为相机单次曝光时间。

7.如权利要求5所述的一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估方法，其特征在于，在步骤二、步骤四和步骤五中，相机按照先双目后单目的测量顺序采集视觉标记图像，从而获得双目及单目两种模式下的位姿测量值。

8.如权利要求5所述的一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估方法，其特征在于，调节太阳模拟器以不同的入射角度：0°、45°、90°、135°和180°照射视觉标记表面。