CN117284500B - 一种基于单目视觉和激光的盘绕式伸展臂位姿调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于单目视觉和激光的盘绕式伸展臂位姿调整方法，包括以下步骤：步骤1：安装单目相机和单束激光测距装置，使单目相机光轴方向与单束激光测距装置平行；步骤2：在盘绕式伸展臂底部安装六自由度调整机构；步骤3：在盘绕式伸展臂顶盘的底部喷涂特征图像；步骤4：利用单目相机、单束激光测距装置以及六自由度调整机构的协同配合逐步进行位姿的调整。本方法能够弥补单目视觉在测距方面精度不足的缺点，并且在完成空间望远镜所需盘绕式伸展臂位姿调整的同时减少所需算力。能够用于盘绕式伸展臂的位姿调整使其满足空间望远镜的特定要求位姿。

Description

一种基于单目视觉和激光的盘绕式伸展臂位姿调整方法

技术领域

本发明涉及一种基于单目视觉和激光的盘绕式伸展臂位姿调整方法，属于宇宙飞行器部件技术领域。

背景技术

盘绕式伸展臂作为一种功耗小、质量轻、展开收拢比大的一维柔性展开机构，在空间卫星上有许多重要应用。其中最具代表性的是在空间望远镜上的应用，而以空间望远镜为代表的科学载荷往往具有高精度指向的要求，盘绕式伸展臂作为柔性展开机构， 自身刚度相对较低，在空间高低温环境下容易产生变形，仅靠自身展开精度往往难以满足要求，需要具备位姿调整能力。位姿调整主要依靠测量系统和调整机构实现。

位姿测量主要分为视觉测量和激光测量。在视觉测量方面，双目视觉精度高但算法复杂、 所需算力高，单目视觉相对简单但沿光轴方向的测距精度低，难以满足要求。在进行全部六自由度位姿解算方面，视觉测量的算法普遍较为复杂，所需算力较高，而纯激光测量系统硬件复杂、成本高。然而位姿解算并不是最终目的，核心目标是将位姿调整至满足空间望远镜所需的位姿，即使展开后盘绕式伸展臂顶盘与卫星平台平行且之间的距离为相机的焦距，同时顶盘中心与底板的中心在一条直线上。要实现以上位姿不一定需要具体的位姿数据信息才能完成。

发明内容

针对现有技术的缺陷以及实际的需求，本发明提供了一种基于单目视觉和激光的盘绕式伸展臂位姿调整方法，能够用于盘绕式伸展臂的位姿调整使其满足空间望远镜的特定要求位姿。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于单目视觉和激光的盘绕式伸展臂位姿调整方法，包括以下步骤：

步骤1：安装单目相机和单束激光测距装置，使单目相机光轴方向与单束激光测距装置平行；

步骤2：在盘绕式伸展臂底部安装六自由度调整机构；

步骤3：在盘绕式伸展臂顶盘的底部喷涂特征图像：所述特征图像为四个完全相同的平行色块，平行色块的相同位置点可以构成一个两边分别平行于相机 x 轴和 y 轴的矩形；

步骤4：利用单目相机、单束激光测距装置以及六自由度调整机构的协同配合逐步进行位姿的调整；所述位姿调整包括以下步骤：

S1:对目标图像中的四个色块进行检测并采用矩形框框选其包络，按照目标视野中左上、 右上、左下、右下的顺序获取对应矩形检测框在图像坐标系下的实时沿 x 方向长度、沿 y 方向长度和矩形中点的坐标；

S2:六自由度调整机构绕 x 轴旋转至所述矩形框沿 y 方向长度最大时停止；

S3:六自由度调整机构绕 y 轴旋转至所述矩形框沿 x 方向长度最大时停止；

S4:利用所述左上和右上矩形框中点坐标获取目标绕 z 轴的转角，六自由度机构进行绕 z轴旋转至所述转角为 0；

S5:利用所述单束激光测距装置获得目标的距离信息，六自由度调整机构进行 z方向的平动调整至所需高度；

S6:利用所述矩形中点坐标进行 x 与 y 方向的平动调整至所需位置。

以上位姿调整步骤中 S2 和 S3 可以交换顺序。

有益效果：本发明提出利用相机视觉得到的简单数据与激光和主动调整相结合的一种基于单目视觉和激光的盘绕式伸展臂位姿调整方法，能够弥补单目视觉在测距方面精度不足的缺点，并且在完成空间望远镜所需盘绕式伸展臂位姿调整的同时减少所需算力，能够用于盘绕式伸展臂的位姿调整使其满足空间望远镜的特定要求位姿。

附图说明

图1是本发明整体流程图

图2是本发明实施例系统结构整体示意图

图3是本发明所述的一种特征图像排布方式示意图

图4是本发明所述的步骤 S2工作流程示意图

图5是本发明所述的步骤 S3工作流程示意图

图例说明

1.单目相机，2.单束激光测距装置，3.六自由度调整机构。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明，具体包括以下步骤：

安装单目相机1、单束激光测距装置2和六自由度调整机构3 ，单束激光测距装置2垂直安装于卫星平台，与单目相机1光轴平行。六自由度调整机构3安装在空间盘绕式伸展臂底端，采用H-811.I2/I2V 六轴小型六足位移台，其控制器为 C-887.52x 控制器。单目相机采用 320*240 分辨率的星瞳 OpenMV4 H7 Plus 智能摄像头。整个系统采用STM32F429IGT6 微控制器，STM32F429IGT6微控制器与其他器件之间采用电性连接。

在盘绕式伸展臂顶盘的底部喷涂如图 3 所示的四个完全相同的平行矩形色块，使其相同位置点可以构成一个两边分别平行于相机 x 轴和 y 轴的矩形。

单目相机1对于盘绕式伸展臂上的特征图像进行检测，对目标图像中的四个色块进行检测并采用矩形框框选其包络，按照目标视野中左上、右上、左下、右下的顺序获取对应矩形检测框在图像坐标系下的实时沿 x 方向长度、沿 y 方向长度和矩形中点的坐标。

六自由度调整机构3绕 x 轴顺时针旋转，若矩形框沿y 方向长度变大，则继续沿该方向 旋转，直至矩形框沿y 方向长度开始减小，此时回转至矩形框沿 y 方向长度最大时的位置； 若矩形框沿 y 方向长度变小，则反方向旋转，直至再次变小，然后回转至变小前矩形框沿y方向长度最大时的位置。对于初始矩形框长宽像素值为 20* 10 而言，六自由度调整机构3绕 x 轴开始顺时针转动，转动过程中，矩形框沿 x 方向的长度像素值不变，始终为 20 ，而沿 y方向的长度像素值不断变大，转动过程中当 y 方向长度像素值出现17- 18- 19- 18 的变化时，即 可得知此时已过沿y 方向长度最大值，即盘绕式伸展臂顶盘已由与 x 轴夹角为正值转为 0 再 转为负值。此时，即可认为当 y 方向长度像素值为19 时，最接近平行于平台底部，则六自由 度调整机构3开始反向旋转至 y 方向长度像素值为 19 时停止绕 x 轴转动。若一开始顺时针 转动，y 方向长度像素值在减小，即 10-9，则说明初始状态与 x 轴夹角为非正值，停止顺时 针旋转，开始逆时针方向旋转，旋转过程中起初 y 方向长度会逐渐变大，当长度像素值出现 17- 18- 19- 18 的变化时，即可得知此时已过沿 y 方向长度像素最大值，即盘绕式伸展臂顶盘已 由与 x 轴夹角为负值转为 0 再转为正值。此时，即可认为当 y 方向长度像素值为 19 时，最接 近平行于平台底部，则六自由度调整机构3开始反向旋转至 y 方向长度像素值为 19 时停止绕 x 轴转动。

六自由度调整机构3绕 y 轴顺时针旋转，若矩形框沿x 方向长度变大，则继续沿该方向 旋转，直至矩形框沿x 方向长度开始减小，此时回转至矩形框沿 x 方向长度最大时的位置； 若矩形框沿 x 方向长度变小，则反方向旋转，直至再次变小，然后回转至变小前矩形框沿x方向长度最大时的位置。对于矩形框长宽像素值为 20* 19 而言，六自由度调整机构3绕 y 轴开始顺时针转动，转动过程中，矩形框沿 y 方向的长度像素值不变，始终为 19 ，而沿 x 方向 的长度像素值不断变大，转动过程中当 x 方向长度像素值出现 28-29-30-29 的变化时，即可得 知此时已过沿x 方向长度最大值，即盘绕式伸展臂顶盘已由与 y 轴夹角为正值转为 0 再转为 负值。此时，即可认为当 x 方向长度像素值为 19 时，最接近平行于平台底部，则六自由度调 整机构3开始反向旋转至 x 方向长度像素值为19时停止绕y轴转动。若一开始顺时针转动，x方向长度像素值在减小，即 20- 19，则说明初始状态与 y 轴夹角为非正值，停止顺时针旋转，开始逆时针方向旋转，旋转过程中起初 x 方向长度会逐渐变大，当长度像素值出现 28-29-30-29的变化时，即可得知此时已过沿 x 方向长度像素最大值，即盘绕式伸展臂顶盘已由与 y 轴夹 角为负值转为 0 再转为正值。此时，即可认为当 x 方向长度像素值为 30 时，最接近平行于平台底部，则六自由度调整机构3开始反向旋转至 x 方向长度像素值为 30 时停止绕 y 轴转动。

利用左上和右上矩形框中点坐标获取目标绕 z 轴的转角，具体过程如下：此处定义左上矩形框中点坐标为（x1 ，y1），右上矩形框中点坐标为（x2 ，y2）。所以目标绕 z 轴的转角 为 arctan[（y2-y1）/（x2-x1）] 。此时六自由度调整机构3绕 z 轴进行对应角度的顺时针方向 旋转(若角度为负值，即进行逆时针方向旋转)。对于左上矩形框中点像素点坐标为（183，118）， 右上矩形框中点像素点坐标为（197 ，128）而言，利用前述计算方法，即可得知绕 Z 轴转角 为 arctan[（128- 118）/（197- 183）]=35.54 ° , 因此，六自由度调整机构3沿顺时针方向旋转35.54 ° , 使 z 轴扭转角为 0。

利用单束激光测距装置2获得目标的距离信息，与所需高度作差得到六自由调整机构3在 z方向所需的作动距离，此时六自由度调整机构3沿 z 轴负向进行对应的平动（若作差结果为 负值，即进行沿 z 轴正向的平动）。对于单束激光测距装置，通过前几步的调整，盘绕式伸展臂顶盘已与平台底部平行，此时通过单束激光测距装置测得盘绕式伸展臂顶盘距离为1.002m,而所需距离为 1m，作差可得 1.002- 1=0.002m，则通过六自由度调整机构3沿 z 轴负向平动 0.002m，若测得距离为 0.097m，作差可得 0.097- 1=-0.003m，则通过六自由度调整机构3沿 z 轴正向平动 0.003m。

利用左上矩形中点坐标分量与对应的预定坐标分量作差，获得 x 方向和 y 方向所需的作 动方向，若作差结果为正值，六自由度调整机构3进行沿该轴负向的平动，至左上矩形中点 坐标分量与对应的预定坐标分量作差结果为 0；若作差结果为负值，六自由度调整机构3进 行沿该轴正向的平动，至左上矩形中点坐标分量与对应的预定坐标分量作差结果为0 。对于 左上矩形中点像素坐标为（181 ，118），而最终预定的左上矩形中点坐标为（183 ，115）而 言，x 方向坐标作差 181- 183=-2，y 方向坐标作差 118- 115=3 ，则六自由度调整机构3沿 x 轴 正向平动，直至左上矩形中点的 x 坐标与预定的 x 坐标作差为0 ，即左上矩形中点的 x 坐标 变为 183 ，停止沿 x 方向平动；六自由度调整机构3沿 y轴负向平动，直至左上矩形中点的y 坐标与预定的 y 坐标作差为 0 ，即左上矩形中点的y 坐标变为 115 ，停止沿 y 方向平动。经过以上调整，盘绕式伸展臂达到预定的位姿。

以上具体实施方式仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所做的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于单目视觉和激光的盘绕式伸展臂位姿调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：安装单目相机和单束激光测距装置，使单目相机光轴方向与单束激光测距装置平行；

步骤2：在盘绕式伸展臂底部安装六自由度调整机构；

步骤3：在盘绕式伸展臂顶盘的底部喷涂特征图像：所述特征图像为四个完全相同的平行色块，平行色块的相同位置点构成一个两边分别平行于相机 x 轴和 y 轴的矩形；

步骤4：利用单目相机、单束激光测距装置以及六自由度调整机构的协同配合逐步进行位姿的调整；所述位姿调整包括以下步骤：

S1:对目标图像中的四个色块进行检测并采用矩形框框选其包络，按照目标视野中左上、右上、左下、右下的顺序获取对应矩形检测框在图像坐标系下的实时沿x方向长度、沿y方向长度和矩形中点的坐标；

S2:六自由度调整机构绕x轴旋转至所述矩形框沿y方向长度最大时停止；

S3:六自由度调整机构绕y轴旋转至所述矩形框沿x方向长度最大时停止；

S4:利用所述左上和右上矩形框中点坐标获取目标绕z轴的转角，六自由度机构进行绕z轴旋转至所述转角为 0；

S5:利用所述单束激光测距装置获得目标的距离信息，六自由度调整机构进行z方向的平动调整至所需高度；

S6:利用所述矩形中点坐标进行x与y方向的平动调整至所需位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉和激光的盘绕式伸展臂位姿调整方法，其特征在于，所述位姿调整步骤中S2和S3交换顺序。