[發明專利]面向空間應用的視覺測量系統地面模擬評估系統及方法

有效

• 申請號: 201811507368.1
• 申請日: 2018-12-11
• 公開（公告）號: CN109781068B
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發明（設計）人: 陳磊;譚啟蒙;劉鑫;周永輝;梁常春;張運;陳明;高升;熊明華;胡成威
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部
• 主分類號: G01C11/00
• 分類號: G01C11/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李愛英;仇蕾安

本發明公開面向空間應用的視覺測量系統地面模擬評估系統和方法，系統包括相機、視覺標記、電子經緯儀三維測量系統、六自由度數顯調整臺、LED燈陣列和太陽模擬器；太陽模擬器和LED燈陣列模擬空間光照條件，六自由度數顯調整臺固定支撐視覺標記，并帶動視覺標記進行勻速運動，相機采集視覺標記圖像，并輸出位姿測量值，電子經緯儀三維測量系統獲取相機和視覺標記之間的位姿真值，將測量值與真值進行對比評估相機的位姿測量精度，所述方法涉及：極端光照環境模擬、極限運動狀態預估和相機的位姿測量精度評估，本發明系統及方法能夠全面模擬評估在軌狀態下相機對空間目標的三維姿態測量精度及目標在極限運動狀態下相機的魯棒性。

技術領域

本發明屬于光電測量領域，具體涉及一種面向空間應用的視覺測量系統地面模擬評估系統及方法。

背景技術

近年來，伴隨著人工智能技術的異軍突起，以空間機械臂為典型代表的空間機器人已經逐步發展成為航天科技領域不可或缺的重大關鍵技術之一，尤其是對空間站在軌服務、深空探測等方面具有舉足輕重的意義。截止目前，國外成功案例主要有：加拿大航天飛機遙操作機械臂SRMS、加拿大國際空間站遙操作機械臂SSRMS、日本試驗衛星機械臂ETS-VII、美國好奇號火星車Curiosity以及NASA艙內空間服務機器人Robonaut2等。上述空間機器人配置可見光視覺測量系統，不僅能夠采集工作區域內的圖像信息，還能夠實時、精確估計空間合作目標的三維位置姿態信息，直接參與整器路徑規劃及運動控制，形成視覺閉環自主控制回路，顯著提高機器人末端執行器的絕對定位精度，確保完成各項精細化操作任務。因此，可見光視覺測量系統的目標位姿測量功能性能及其精度水平是衡量空間機器人精細操作任務成敗的關鍵技術指標。

視覺測量系統主要由相機和視覺標記組成，其核心功能是目標三維位姿測量，通常可利用單目或雙目相機實時采集包含上述視覺標記的圖像信息，準確估計空間目標的三維位置姿態等信息。目前，對于合作目標三維位姿視覺測量精度評定的理論研究和成果相對成熟。例如，GJB 8538-2015《單(多)目視覺測量系統標定與精度測試方法》從原理上系統闡述了視覺測量系統標定與精度測試方法；T/CIE048-2017《空間機器人可見光位姿測量精度地面試驗要求》規定了視覺測量系統開展位姿精度地面試驗項目和要求；郝穎明在《基于點特征的位姿測量精度與魯棒性研究》文獻中，針對三點式視覺標記圖案設計，以提高單目視覺測量系統的精度為目的開展單目視覺測量魯棒性研究，基于理論簡化條件下的假設前提，推導出測量誤差與相機標定誤差、目標模型誤差、圖像坐標檢測誤差之間的關系表達式，結合一般條件下的誤差統計分析，得出上述參數指標對測量結果的影響趨勢以及各項因素誤差合成等結論。譚啟蒙等在《合作目標單目視覺測量誤差系統及誤差限量化方法》國家發明專利文獻中，針對合作目標單目視覺測量，提出了一種誤差限量化方法，分層次制定了一系列誤差分配策略；王飛等在《一種空間三維視覺技術驗證方法》國家發明專利文獻中，提出一種空間三維視覺計算驗證方法，通過將空間點三維坐標帶入位姿數據計算二維圖像重投影誤差，以此作為位姿精度量化指標。上述研究均是圍繞位姿精度關鍵特性地面常規測試開展，而對于視覺測量系統所處的空間應用場景光照條件復雜性考慮尚處于空白，根本難以保證目標位姿測量功能性能的在軌正確率和成功率，故無法滿足面向空間應用的視覺測量系統地面模擬試驗的實際需求。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種面向空間應用的視覺測量系統地面模擬評估系統及方法，不僅能夠量化評估所測目標位姿的測量精度水平能否滿足機器人在軌服務的指標需求，還能摸底相機的目標位姿測量功能對目標極限運動狀態的適應能力。

實現本發明的技術方案如下：

一種面向空間應用的視覺測量系統地面模擬評估系統，包括相機、視覺標記、電子經緯儀三維測量系統、六自由度數顯調整臺、LED燈陣列和太陽模擬器；其中，太陽模擬器和LED燈陣列分別用于模擬視覺標記和相機的空間光照條件，六自由度數顯調整臺固定支撐視覺標記，并帶動視覺標記進行勻速運動，相機采集視覺標記圖像，并輸出視覺標記的位姿測量值，電子經緯儀三維測量系統獲取相機和視覺標記之間的位姿真值，將測量值與真值進行對比評估相機的位姿測量精度。