CN111735447A - 一种仿星敏式室内相对位姿测量系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿星敏式室内相对位姿测量系统及其工作方法，涉及平面待测物体位姿估计领域，能够仅通过模拟星图和待测物体上的单目相机就进行位姿测量，使用方便，输出稳定。本发明系统包括：待测物体、星图、处理器。其中处理器具体包括：图形采集模块、星点提取模块、星点匹配模块、导航星库、位姿估计模块。本发明方法包括：采集当前时刻的星图图像；提取星图图像中的星点，并估计星点的像素坐标；根据像素坐标生成星点的模式向量，并和星库中的已知星点匹配；根据匹配成功星点的像素坐标和世界坐标解算出待测物体的位置姿态。本发明适用于航天器在轨技术地面验证。

Description

一种仿星敏式室内相对位姿测量系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及平面待测物体位姿估计领域，尤其涉及一种仿星敏式室内相对位姿测量系统及其工作方法。

背景技术

待测物体是用于研究航天器姿态控制系统的全物理仿真设备，通过近似模拟外太空微重力、零摩擦的空间环境，对空间相关技术进行验证，从而降低空间实验风险和成本。在气浮实验技术的实际应用中，待测物体自身的高精度位姿测量是相关实验的基础。

现有位姿测量手段主要包括动作捕捉系统、基于UWB的射频系统、超声定位系统等，但上述系统均有一定的局限性。动作捕捉系统精度高，但价格昂贵，且存在有效工作区间，在待测物体超出区间后，测量精度会大幅下降，而增加有效工作区间需要增加相应的系统配件，成本会进一步提升；超声定位系统可以达到厘米级的定位精度，成本较低，但易受噪声干扰，在待测物体进行喷气操作时，定位精度会大幅下降甚至不可用；UWB系统不易受环境干扰，定位结果较为稳定，但整体精度较低，难以满足近距离操作的相关实验要求。

因此，平面待测物体作为一种全物理仿真方法，作为航天器在轨技术地面验证的重要组成部分，却受到了室内定位技术的限制。目前现有技术中还缺乏完全自主的高精度位姿测量方法。

发明内容

本发明提供一种仿星敏式室内相对位姿测量系统及其工作方法，能够仅通过模拟星图和待测物体上的单目相机就进行待测物体的位姿测量，使用方便，输出稳定。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种仿星敏式室内相对位姿测量系统，包括：相机、星图、处理器。其中处理器具体包括：图形采集模块、星点提取模块、星点匹配模块、导航星库、位姿估计模块。相机安装在待测物体顶部，星图设置在相机的拍摄区域内，用于模拟星空，星图与相机的视轴方向垂直，相机还连接处理器。

处理器中，图形采集模块用于采集相机拍摄的星图；

星点提取模块用于提取星图中的星点，并估计星点的像素坐标；

星点匹配模块用于生成星点像素坐标的模式向量，并和导航星库中星点的模式向量进行匹配；

导航星库用于存储星点的位置信息；

位姿估计模块用于解算待测物体的位置姿态。

进一步的，仿星敏式室内相对位姿测量系统还包括星库更新模块，用于将未知星点的世界坐标加入导航星库，实时更新星库。

本发明还提供了一种仿星敏式室内相对位姿测量系统的工作方法，适用于上述的仿星敏式室内相对位姿测量系统，包括：

S1、图像采集模块通过待测物体上的相机采集当前时刻的星图图像；

S2、星点提取模块提取星图图像中的星点，并估计星点的像素坐标；

S3、星点匹配模块根据星点的像素坐标生成星点的模式向量，并将生成的星点模式向量和导航星库中已存储星点的模式向量进行匹配，输出匹配成功星点和匹配不成功星点；

S4、位姿估计模块根据匹配成功星点的像素坐标和世界坐标，利用像素坐标系、图像坐标系和世界坐标系间的坐标转换解算得出待测物体的位置姿态。

进一步的，位姿估计模块根据待测物体的位置姿态和匹配不成功星点的像素坐标，解算匹配不成功星点的世界坐标，星库更新模块将匹配不成功星点的世界坐标加入导航星库。

进一步的，S2包括：

采用中值滤波算法去除星图图像中的噪声；

扫描星图图像的像素，采用双端队列的方式得到星图图像的像素灰度值，将大于设定灰度值阈值的像素点灰度值指定为255，标记为背景区域；否则指定为0，标记为目标区域；

将目标区域的图像转化为行程编码，将相邻的行程编码采用多链表连接，然后对所述目标区域的图像数据进行无损压缩，由于星点区域必然是由多个连续像素灰度值为0的编码组成，因此将所有像素灰度值为0的连续编码设置为连通区域特征并导出，这些特征中将含有所有可能出现星点的区域；

将符合连通区域特征的区域标记为星点连通区域，采用面积约束的方法对星点连通区域进行提取，得到目标区域；

对目标区域的像素值扫描统计，求出像素值的回归方程从而提取目标区域的圆心，将圆心标记为星点中心，得到星点中心的像素坐标。

进一步的，在S3中，星点模式向量的匹配的方法为栅格算法，具体包括:

选择需要生成模式图案的参考星r；

在以参考星r为中心，以p_r为半径的范围内重新定位参考星r及周围天空的恒星，使得r位于相机的拍摄图像中心；

在参考星r为中心，以b_r为半径的范围外，将距离参考星的最近的星标记为定位星，利用定位星再次重新定位p_r范围内星点，并以参考星r为中心产生边长大小为g的网格，g为计算参数；

网格线将拍摄图像分割成g²部分，生成一个g²长度的模式向量v＝[0,1,…,g²]，若网格cell(i,j)中有恒星，则v(i,j)为1，否则v(i,j)为0，将v(i,j)值为1的网格中的星点标记为匹配成功星点。

本发明的有益效果为：

本发明利用待测物体上的单目相机拍摄模拟星图，对相机拍摄区域内的星图特征点进行解算，通过模拟星敏的方式进行高精度位姿测量。由于星图制作简单，易于扩展，解决了测量区间有限的问题；使用相机进行测量更接近实际卫星上的传感器配置。本发明相比于动作捕捉系统、UWB系统和超声定位系统单目相机测量，使用方便，输出稳定；并且星图的可拓展性解决了测量区间有限的问题，在保证测量精度的前提下，大幅提高了位姿测量范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的系统组成示意图；

图2是系统处理器各模块的连接示意图；

图3是星点提取模块所进行运算的流程图；

图4是星点筛选的示意图；

图5是栅格算法的原理图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供一种仿星敏式室内相对位姿测量系统，如图1所示，包括：相机、星图、系统处理器。其中，星图设置在相机的拍摄范围内，星图平行于相机装载平面，相机视轴垂直于星图，相机在待测物体运动过程中不断对星图进行拍摄。星图上的星点位置分布均匀，大小位置固定。相机和系统处理器连接，将所采集的图片信息发送至处理器。

处理器又包括了以下模块，系统结构图如图2所示：

图像采集模块，图形采集模块实时获取相机拍摄的星图图像信息。该模块将与其他模块异步执行，因此大幅提高测量系统的输出频率。

星点提取模块，该模块用于图像的预处理、提取拍摄图像中的星点并估计其像素坐标。预处理步骤主要包括滤波、图像分割、形态学运算、连通区域分析、目标区域筛选以及目标区域中心提取，具体流程图如图3所示。

星点匹配模块，根据星点提取模块得到的星点像素坐标生成星点的模式向量，并与导航星库中星点的模式向量进行匹配，输出匹配成功和匹配不成功的星点。

位姿估计模块，根据匹配成功星点的像素坐标和匹配成功星点的世界坐标解算待测物体的位置姿态，并根据当前的位置姿态和匹配不成功星点的像素坐标解算待测物体的世界坐标。将匹配不成功星点与导航星库中的星点比较，若导航星库中不存在匹配不成功的星点，则标记为未知星点，并且输出未知星点的世界坐标。

星库更新模块，用于将位姿估计模块输出的未知星点加入已有星库中，从而重新构建导航星库，实现星库的实时更新。

星库更新模块的执行与否取决于所拍摄图像中是否有未知星点的产生。在调用该模块后，程序会依次执行星点提取模块、星点匹配模块和位姿估计模块。另，为实现模块化星图的测量方案，本实施例中只存取星点的世界坐标，星点的模式向量和星库均根据星点的世界坐标动态生成。

导航星库用于存储星点的位置信息，包括已知星点和坐标解算后的未知星点。

本实施例还提供了一种仿星敏式室内相对位姿测量系统的工作方法，包括：

S1、图像采集模块通过待测物体上的相机采集当前时刻的星图图像；

S2、星点提取模块提取星图图像中的星点，并估计星点的像素坐标，具体包括：

采用中值滤波算法去除星图图像中的噪声，从而获得较好的目标区域边界；

扫描星图图像的像素，采用双端队列的方式得到星图图像的像素灰度值，提高中值滤波的执行效率。将大于设定灰度值阈值的像素点灰度值指定为255，标记为背景区域；否则指定为0，标记为目标区域，具体表示为：

其中，f(x,y)为标记后的星图图像像素灰度值；g(x,y)为标记前的星图灰度图像；T为图像的分割阈值。若要从背景中分割目标，则应适当选择T。在本实施例中，采用大津法(Ostu)获取图像分割阈值。Ostu算法根据阈值将像素分为背景像素和前景像素两类，然后计算两类的类内方差，选择合适的阈值使得两类像素的类内方差最小，而此时它们的类间方差为最大。

将目标区域的图像转化为行程编码，相邻的行程编码采用多链表实现连接，从而实现图像数据的无损压缩，由于星点区域必然是由多个连续像素灰度值为0的编码组成，因此将所有像素灰度值为0的连续编码设置为连通区域特征并导出，这些特征中将含有所有可能出现星点的区域；

将符合连通区域特征的区域标记为星点连通区域，采用面积约束的方法对星点连通区域进行提取，得到目标区域。

最大最小面积判定方法为：

其中，star表示该区域是否为星点区域，1表示是星点区域，0表示非星点区域；min为0.5倍星点面积；max为2倍星点面积；area为识别的星点面积。另外，由于星点是圆形区域，可以通过长宽比对其范围进行限制：

其中，w为像素坐标系下区域水平方向的边界长度；h为区域垂直方向上的边界长度。图4为星点筛选前后图像。

对目标区域的像素值扫描统计，求出像素值的回归方程从而提取目标区域的圆心，将圆心标记为星点中心，得到星点中心的像素坐标。由于像素值统计分析无需计算区域边界，所以少量边界像素点的缺失并不影响最终的计算精度。

S3、星点匹配模块根据星点的像素坐标生成星点的模式向量，并将生成的星点模式向量和导航星库中已存储星点的模式向量进行匹配，输出匹配成功星点和匹配不成功星点。

其中，星点模式向量的匹配的方法为栅格算法，图5为栅格算法原理图，具体包括:

选择需要生成模式图案的参考星r；

在以参考星r为中心，以p_r为半径的范围内重新定位参考星r及周围天空的恒星，使得r位于相机的拍摄图像中心；

在以参考星r为中心，以b_r为半径的范围外，将距离参考星的最近的星标记为定位星，利用定位星再次重新定位p_r范围内星点，并以参考星r为中心产生边长大小为g的网格，g、p_r、b_r均为计算参数；

网格线将拍摄图像分割成g²部分，生成一个g²长度的模式向量v＝[0,1,…,g²]，若网格cell(i,j)中有恒星，则v(i,j)为1，否则v(i,j)为0，将v(i,j)值为1的网格中的星点标记为匹配成功星点。

另外，g值的大小决定了星库中星点的最高数目

若星点总数超过此值，则会出现误匹配。g值太小会限制星库星点的数目，增加了误匹配的可能性；g值太大会增加星匹配算法的运行时间。在本实施例中，值g取8。

S4、位姿估计模块根据匹配成功星点的像素坐标和世界坐标解算得出待测物体的位置姿态；

待测物体的位置和姿态满足：

其中，(x_qw,y_qw,z_qw)和(x_q,y_q,z_q)分别表示在世界坐标系下旋转θ角度前后的待测物体位置。

另外，对于每一个提取出的星点，其像素坐标满足：

其中，z_bc表示相机至星图的垂直距离；(u_s,v_s)表示星点在像素坐标系下的坐标；

为相机内参，(f_x,f_y,c_x,c_y)可通过预先标定获取；(x_bw,y_bw,z_bw)表示星点在世界坐标系下的坐标。

任意取两个星点，其像素坐标分别为(u_s1,v_s1)和(u_s2,v_s2)，世界坐标分别为(x_bw1,y_bw1)和(x_bw2,y_bw2)，令

du＝u_s1-u_s2,dv＝v_s1-v_s2,dx＝x_bw1-x_bw2,dy＝y_bw1-y_bw2 (6)

结合式(5)可得

进一步解算后可得待测物体姿态为

进一步可得到

结合式(4)可得待测物体位置为

S5、位姿估计模块根据待测物体的位置姿态和匹配不成功星点的像素坐标，解算匹配不成功星点的世界坐标，星库更新模块将匹配不成功星点的世界坐标加入导航星库。

本实施例中采用MATLAB工具箱离线标定的方式获得相机的内参矩阵、二阶径向畸变系数和切向畸变系数。为得到较为准确的内参矩阵，首先将镜头放在待测物体面上，调整焦距至可以看清星图，锁紧镜头。然后打印标准棋盘，在2.6m的距离下从不同角度拍摄十二张棋盘图，用MATLAB工具箱Camera Calibrator进行标定。得到平均重投影误差为0.37内参矩阵为

径向畸变系数为k₁＝-0.0856,k₂＝-0.0624，切向畸变系数为p₁＝0.0102,p₂＝0.0034。

本实施例中，采用一张长度为460mm宽度为184mm星点半径为10.78mm的星图，四张长度为230mm宽度为92mm星点半斤为10.78mm的星图。将上述五张星图任意贴在天花板上，并尽量使其星图间星点分布均匀。然后根据已知导航星点的世界坐标生成导航星库。最后移动待测物体，运行程序获取位姿测量结果。最终实验结果为：位置测量精度为1mm，姿态角测量精度为1°。

本发明的有益效果为：

本发明利用平面待测物体上的单目相机拍摄模拟星图，对待测物体工作区域上方的星图特征点进行解算，通过模拟星敏的方式进行高精度位姿测量。由于星图制作简单，易于扩展，解决了测量区间有限的问题；对于多待测物体场景，也只需每个待测物体安装相机即可，使用方便，且更接近实际卫星上的传感器配置。使用待测物体相机进行测量且更接近实际卫星上的传感器配置。本发明相比于动作捕捉系统、UWB系统和超声定位系统单目相机测量，使用方便，输出稳定；并且星图的可拓展性解决了测量区间有限的问题，在保证测量精度的前提下，大幅提高了位姿测量范围。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种仿星敏式室内相对位姿测量系统，其特征在于，包括：相机、星图、处理器，处理器包括：图形采集模块、星点提取模块、星点匹配模块、导航星库、位姿估计模块；

相机安装在待测物体顶部，星图设置在相机的拍摄区域内，星图与相机的视轴方向垂直，相机还连接处理器；

处理器中，图形采集模块用于采集所述相机拍摄的星图；

星点提取模块用于提取所述星图中的星点，并估计星点的像素坐标；

星点匹配模块用于生成星点像素坐标的模式向量，并和导航星库中星点的模式向量进行匹配；

导航星库，用于存储星点的位置信息；

位姿估计模块用于解算待测物体的位置姿态。

2.根据权利要求1所述的一种仿星敏式室内相对位姿测量系统，其特征在于，所述仿星敏式室内相对位姿测量系统还包括星库更新模块，用于将未知星点的世界坐标加入所述导航星库。

3.一种仿星敏式室内相对位姿测量系统的工作方法，适用于如权利要求1-2所述的仿星敏式室内相对位姿测量系统，其特征在于，包括：

S1、图像采集模块通过待测物体上的相机采集当前时刻的星图图像；

S2、星点提取模块提取所述星图图像中的星点，并估计所述星点的像素坐标；

S3、星点匹配模块根据所述星点的像素坐标生成星点的模式向量，并将生成的星点模式向量和导航星库中已存储星点的模式向量进行匹配，输出匹配成功星点和匹配不成功星点；

S4、位姿估计模块根据匹配成功星点的像素坐标和世界坐标，利用像素坐标系、图像坐标系和世界坐标系间的坐标转换解算得出待测物体的位置姿态。

4.根据权利要求3所述的一种仿星敏式室内相对位姿测量系统的工作方法，其特征在于，包括：

所述位姿估计模块根据待测物体的位置姿态和所述匹配不成功星点的像素坐标，解算所述匹配不成功星点的世界坐标，所述星库更新模块将所述匹配不成功星点的世界坐标加入所述导航星库。

5.根据权利要求3所述的一种仿星敏式室内相对位姿测量系统的工作方法，其特征在于，所述S2包括：

采用中值滤波算法去除所述星图图像中的噪声；

扫描所述星图图像的像素，采用双端队列的方式得到所述星图图像的像素灰度值，将大于设定灰度值阈值的像素点灰度值指定为255，标记为背景区域；否则指定为0，标记为目标区域；

将所述目标区域的图像转化为行程编码，将相邻的行程编码采用多链表连接，然后对所述目标区域的图像数据进行无损压缩，由于星点区域必然是由多个连续像素灰度值为0的编码组成，因此将所有像素灰度值为0的连续编码设置为连通区域特征并导出，这些特征中将含有所有可能出现星点的区域；

将符合所述连通区域特征的区域标记为星点连通区域，采用面积约束的方法对所述星点连通区域进行提取，得到目标区域；

对目标区域的像素值扫描统计，求出所述像素值的回归方程从而提取目标区域的圆心，将所述圆心标记为星点中心，得到所述星点中心的像素坐标。

6.根据权利要求3所述的一种仿星敏式室内相对位姿测量系统的工作方法，其特征在于，在所述S3中，所述星点模式向量的匹配的方法为栅格算法，具体包括:

选择需要生成模式图案的参考星r；

在以参考星r为中心，以p_r为半径的范围内重新定位参考星r及周围天空的恒星，使得r位于所述相机的拍摄图像中心；

在以参考星r为中心，以b_r为半径的范围外，将距离参考星的最近的星标记为定位星，利用定位星再次重新定位p_r范围内星点，并以参考星r为中心产生边长大小为g的网格，g为计算参数；

网格线将所述拍摄图像分割成g²部分，生成一个g²长度的模式向量v＝[0,1,…,g²]，若网格cell(i,j)中有恒星，则v(i,j)为1，否则v(i,j)为0，将v(i,j)值为1的网格中的星点标记为所述匹配成功星点。

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