专利名称：基于视觉的空间目标位姿测量装置的制作方法
技术领域：
基于视觉的空间目标位姿测量装置
(一) 技术领域
本实用新型涉及基于视觉的空间目标位姿测量装置，尤其指一种模式识别与智能控制、 追踪飞行器向空间目标逼近靠拢过程中的跟踪、图像处理与空间目标运动参数计算的装置属 于信息处理技术领域。
(二) 背景技术
卫星预警的研究工作，主要集中在远距离段对弱小空间目标的远距离及时发现、预警的 需求上，研究的重点是针对空间飞行器中段的空间目标进行检测跟踪(这时空间目标的可见 光、红外特性相对于主动段依然较弱，信噪比低)，研究空间飞行器的成像条件与成像特点 对空间目标精确跟踪的影响。对于远段、中段的空间目标识别跟踪的研究，也取得了重要进 展。
对于近距离空间目标空间目标特征提取、姿态识别和测量方面的研究，业者做了大量 工作，取得了一定研究成果。
研究工作主要集中在远距离段对弱小空间目标的远距离及时发现、研究的重点是针对空 间飞行器中段的空间目标进行检测跟踪。对于远段、中段的空间目标识别跟踪，已在复杂背 景下空间目标检测识别、空间目标和背景建模、空间目标轨迹预测及跟踪等方面取得了很多 重要的成果。航天器的交会对接是关键技术之一，而此过程中近距离空间目标的特征提取跟 踪、姿态识别和动态测量是影响任务成败的关键。
(三) 实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，以实现在追踪飞行 器向空间目标逼近靠拢过程中，通过双目成像的原理和图像处理的方法，对空间目标的位置 和姿态参数进行精确计算。
一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，其特征在于它是由以下三部分构成电控 位移台、图像采集设备、综合信息处理平台；该电控位移台和综合信息处理平台分别由六自由度高精度数字伺服位移台、位移台控制箱和信息接口、伺服控制处理单元、高速计算 机组成；其中，图像采集设备主要包括两个CCD摄像机；六自由度高精度数字伺服位移台 是图像获取装置的支撑平台，根据位移台控制箱的控制指令进行六自由度的运动，实现对 双目测量过程中测量结果的验证；高速计算机接收从两个CCD摄像机传入的左右图像信 息，完成对左右两幅双目图像中的一系列信息处理过程，包括空间目标特征的提取、特征 匹配、特征跟踪、运动参数计算、三维重建等算法的实现；伺服控制处理单元能向电控位 移台发出控制命令，使六自由度高精度数字伺服位移台根据输入的指令进行运动；
该基于视觉的空间目标位姿测量装置各组成部分之间的关系为图像采集设备分别安装 在电控位移台的六自由度高精度数字伺服位移台支架两端，相对位置可以进行调解，同时可 随高精度数字伺服位移台一起运动；图像采集设备和电控位移台都与综合信息处理平台相 连，实现图像采集设备所获取的图像向信息处理平台的传输和信息处理平台对伺服平台的控 制指令的传输。
本实用新型一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，由以下三部分构成电控位移台、 图像采集设备、综合信息处理平台。
1) 图像采集设备-
该图像采集设备主要包括两个CCD (Charge Coupled Device,即电荷藕合器件图像传感
器)摄像机。
CCD摄像机的具体参数如下-KP-F200SCL摄像机参数为
*分辨率(有效像素)1628 X 1236
CCD面积7.16X5.44腿 1/1.8-inch *帧频15&s
參 接口 Mini CamraLink
* 尺寸29(W)X 29(H) X 29(D) *重量约53g
*其它10bits输出，串口控制支持，工作温度0—4(TC
2) 电控位移台
该电控位移台是由六自由度高精度数字伺服位移台、位移台控制箱组成。 该六自由度高精度数字伺服位移台是图像获取装置的支撑平台，可根据位移台控制箱 的控制指令进行六自由度的运动，实现对双目测量过程中测量结果的验证。该位移台控制箱通过串口向六自由度高精度数字伺服位移台发送控制指令。 电控位移台的参数如下
* X，Y轴±0.35m
* Z轴土0.5m
*三轴转动范围±45° *基线长度调整0.2~0.5m *视轴夹角±45°
* X，Y，Z轴位移精度土0.1mm 三轴转动精度±0.05°
*基线长度调整精度0.01mm *视轴夹角调整精度±0.05° 3)综合信息处理平台
该综合信息处理平台是由信息接口、伺服控制处理单元、高速计算机组成。 高速计算机接收从两个CCD摄像机传入的左右图像信息，完成对左右两幅双目图像中
的一系列信息处理过程，包括空间目标特征的提取、特征匹配、特征跟踪、运动参数计算、
三维重建等算法的实现。
伺服控制处理单元能向电控位移台发出控制命令，使六自由度高精度数字伺服位移台
根据输入的指令进行运动。
基于视觉的空间目标位姿测量装置各组成部分之间的关系详述如下 基于视觉的空间目标位姿测量装置的连接关系为图像采集设备(两个CCD摄像机)
分别安装在电控位移台的六自由度高精度数字伺服位移台支架两端，相对位置可以进行调
解，同时可随高精度数字伺服位移台一起运动；图像采集设备和电控位移台都与综合信息
处理平台相连，实现图像采集设备所获取的图像向信息处理平台的传输和信息处理平台对
伺服平台的控制指令的传输。
本实用新型一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，其工作流程为首先通过综合信息
处理平台的伺服控制处理单元向电控位移台的六自由度高精度数字伺服位移台发送指令，使
其按照设定好的程序向空间目标逼近靠拢；同时，在运动的过程中，安装在电控位移台的六 自由度高精度数字伺服位移台的图像采集设备不断的采集运动过程中的空间目标双目序列 图像，这些采集到的图像传给信息处理平台的高速计算机，高速计算机通过一系列的信息处 理过程(主要为图像处理过程)，计算出向空间目标逼近靠拢过程中空间目标具体的相对位置和姿态参数，最后再把经过图像处理计算过程得出的空间目标的参数和电控位移台的六自 由度高精度数字伺服位移台的运动参数进行比对，用以验证测量结果的正确性以及后续的测 量精度分析。
本实用新型一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，其优点是基于视觉和信息处理(主 要为图像处理)的方法，完成对空间目标位姿的测量，达到较高的精度。
(四)
-
图1所示为基于视觉的空间目标位姿测量装置的构成框图
图2所示为图像采集设备的构成框图
图3所示为电控位移台的构成框图
图4所示为综合信息处理平台的构成框图
图中标号说明如下
1、 图像采集设备；
2、 电控位移台；
3、 综合信息处理平台；
4、 CCD摄像机；
5、 六自由度高精度数字伺服位移台；
6、 位移台控制箱；
7、 信息接口；
8、 伺服控制处理单元；
9、 高速计算机；
具体实施方式
本实用新型一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，由以下三部分构成电控位移台、 图像采集设备、综合信息处理平台。 1)图像采集设备-
如图2所示，该图像采集设备l主要包括两个CCD (Charge Coupled Device,即电荷藕 合器件图像传感器)摄像机4。CCD摄像机的具体参数如下
KP-F200SCL摄像机4参数为 *分辨率(有效像素)1628X1236
* CCD面积7.16X5.44mm 1/1.8-inch *帧频15fys
* 接口 Mini CamraLink
* 尺寸29(W)X 29(H) X 29(D) *重量约53g
其它10bits输出，串口控制支持，工作温度0 +40'C 2)电控位移台
如图3所示，该电控位移台2是由六自由度高精度数字伺服位移台5、位移台控制箱6 组成。
该六自由度高精度数字伺服位移台5是图像获取装置的支撑平台，可根据位移台控制
箱6的控制指令进行六自由度的运动，实现对双目测量过程中测量结果的验证。
该位移台控制箱6通过串口向六自由度高精度数字伺服位移台5发送控制指令。 电控位移台的参数如下
* X，Y轴士0.35m
* Z轴土0.5m
*三轴转动范围±45°
* 基线长度调整0.2~0.5m *视轴夹角±45°
* X,Y,Z轴位移精度土0.1mm 拳三轴转动精度±0.05°
拳基线长度调整精度0.01mm 像视轴夹角调整精度±0.05° 3)综合信息处理平台
如图4所示，该综合信息处理平台3是由信息接口7、伺服控制处理单元8、高速计算 机9组成。
高速计算机9接收从两个CCD摄像机4传入的左右图像信息，完成对左右两幅双目图 像中的一系列信息处理过程，包括空间目标特征的提取、特征匹配、特征跟踪、运动参数计算、三维重建等算法的实现。
伺服控制处理单元8能向电控位移台2发出控制命令，使六自由度高精度数字伺服位 移台5根据输入的指令进行运动。
基于视觉的空间目标位姿测量装置各组成部分之间的关系详述如下 如图1所示，基于视觉的空间目标位姿测量装置的连接关系为图像采集设备1 (两 个CCD摄像机4)分别安装在电控位移台2的六自由度高精度数字伺服位移台5支架两端，
相对位置可以进行调解，同时可随高精度数字伺服转位移台5 —起运动；图像采集设备1
和电控位移台2都与综合信息处理平台3相连，实现图像采集设备1所获取的图像向信息 处理平台3的传输和信息处理平台3对伺服平台2的控制指令的传输。
本实用新型一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，其工作流程为首先通过综合信
息处理平台3的伺服控制处理单元8向电控位移台2的六自由度高精度数字伺服位移台5
发送指令，使其按照设定好的程序向空间目标逼近靠拢；同时，在运动的过程中，安装在
电控位移台2的六自由度高精度数字伺服位移台5的图像采集设备1不断的采集运动过程
中的空间目标双目序列图像，这些采集到的图像传给信息处理平台3的高速计算机9，高
速计算机9通过一系列的信息处理过程(主要为图像处理过程)，计算出向空间目标逼近靠
拢过程中空间目标具体的相对位置和姿态参数，最后再把经过图像处理计算过程得出的空
间目标的参数和电控位移台2的六自由度高精度数字伺服位移台5的运动参数进行比对，
用以验证测量结果的正确性以及后续的测量精度分析。
采用本实用新型中的技术和装置，整个系统对基于视觉的空间目标位姿测量装置可达到
如下的技术指标
* 识别距离范围20m 0.5m
*摄像机视场角(70-100) °
*正确测量概率95%
基线长度范围(U 0.5m
*位置测量精度0.1m 0.5m
*数据更新率l 5Hz.
权利要求1、一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，其特征在于它是由以下三部分构成电控位移台、图像采集设备、综合信息处理平台；该电控位移台和综合信息处理平台分别由六自由度高精度数字伺服位移台、位移台控制箱和信息接口、伺服控制处理单元、高速计算机组成；其中，图像采集设备主要包括两个CCD摄像机；六自由度高精度数字伺服位移台是图像获取装置的支撑平台，根据位移台控制箱的控制指令进行六自由度的运动，实现对双目测量过程中测量结果的验证；高速计算机接收从两个CCD摄像机传入的左右图像信息，完成对左右两幅双目图像中的一系列信息处理过程，包括空间目标特征的提取、特征匹配、特征跟踪、运动参数计算、三维重建等算法的实现；伺服控制处理单元能向电控位移台发出控制命令，使六自由度高精度数字伺服位移台根据输入的指令进行运动；该基于视觉的空间目标位姿测量装置各组成部分之间的关系为图像采集设备分别安装在电控位移台的六自由度高精度数字伺服位移台支架两端，相对位置可以进行调解，同时可随高精度数字伺服位移台一起运动；图像采集设备和电控位移台都与综合信息处理平台相连，实现图像采集设备所获取的图像向信息处理平台的传输和信息处理平台对伺服平台的控制指令的传输。
专利摘要一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，该装置电控位移台、图像采集设备、综合信息处理平台三个部分组成；方法由双目图像基于2D平面靶标的摄像机标定模块、双目图像的特征点的提取模块、双目图像特征点的匹配模块、姿态参数测量模块四个模块组成。该装置通过综合信息处理控制电控位移台和其上的CCD摄像机的运动，运动中的CCD摄像机向信息处理平台的高速计算机传输双目图像，高速计算机经过一系列的信息处理过程(主要为图像处理过程)，计算出向空间目标逼近靠拢过程中空间目标相对位置和姿态参数，再把经过信息处理得出的空间目标的参数和电控位移台的运动参数进行比对，验证测量结果的正确性及测量精度分析。
文档编号G01B11/00GK201355241SQ20082012343
公开日2009年12月2日 申请日期2008年10月30日 优先权日2008年10月30日
发明者弘 张, 璐 李, 磊 王, 滢 穆, 贾瑞明 申请人:北京航空航天大学