[發明專利]一種基于圓特征及P3P算法的飛行器位姿測量方法

在審

• 申請號: 201910705090.7
• 申請日: 2019-07-30
• 公開（公告）號: CN110500954A
• 公開（公告）日: 2019-11-26
• 發明（設計）人: 張莉君;郭輝;陳鵬;黃順
• 申請（專利權）人: 中國地質大學(武漢)
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01C21/20;G06T7/70;G06T7/80;G06T7/136
• 代理公司: 42238 武漢知產時代知識產權代理有限公司
• 代理人: 鄒桂敏<國際申請>=<國際公布>=<進入

本發明提供一種基于圓特征及P3P算法的飛行器位姿測量方法，包括：S1、利用單目相機拍攝飛行器的圖像，確定飛行器上的四個圓形靶標的靶心在世界坐標系中的坐標；S2、對圖像進行平滑濾波，并處理得到二值圖像；S3、篩選出靶標的輪廓；S4、計算靶心在像素坐標系中的坐標；S5、任意選取三個靶標，利用P3P算法計算位姿參數解集；S6、構造最小化重投影誤差函數，利用第四個靶標的坐標信息，校驗位姿參數解集，得到最接近真實情況的唯一解；S7、計算飛行器的姿態參數以及飛行器相對于相機的位置參數。本發明的有益效果：使用了含LED燈的有源圓形靶標，易于特征識別及提取；采用P3P算法，并代入第四個特征點的信息確定唯一解，算法運行速度快，準確度高。

技術領域

本發明涉及視覺測量技術領域，尤其涉及一種基于圓特征及P3P算法的飛行器位姿測量方法。

背景技術

視覺測量技術具有實時性強、精度高、自動化程度高等一系列優點，已廣泛應用于工業視覺檢測、智能交通、遙感影像分析和飛行器視覺導航等一系列領域。視覺測量的主要目標是在滿足一定精度指標的前提下，實現對空間三維物體的尺寸、位置、姿態等幾何參數的測量。空間目標的位置與姿態是反映目標屬性的重要參量，在工業大型器件裝配以及航天飛行器自主交會對接過程中都需要完成空間目標位姿的高精度實時測量，因此如何快速高精度地獲取空間目標的六自由度位姿參數是各領域亟待解決的共性問題，具有重大的理論意義與工程實用價值。

利用視覺測量系統估算空間目標點的相對位姿主要分為單目視覺測量和多目視覺測量兩大類，相對于多目視覺測量視場范圍小、立體匹配困難等缺點，單目視覺測量具有結構簡單、測量視場大、實時性強并能夠保證測量精度的特點，因此較廣泛地應用于兩個自由坐標系之間相對位姿解算的領域。單目視覺測量系統主要分為基于合作目標和基于非合作目標兩類，由于非合作目標的特征點沒有按照測量需求排列，在不同應用背景下可提取的特征不固定，所以基于非合作目標的單相機測量方法存在特征提取難度大、提取精度較低、位姿解算復雜等缺點。而合作目標位姿測量中目標特征點之間的空間約束關系可控制，雖然在一定程度上限制了應用范圍，但是克服了非合作目標測量存在的普遍問題。

目前單目視覺測量技術主要分為基于點特征、基于直線特征以及基于曲線特征的定位方法。基于直線特征的定位方法要求確定物體位姿的三條直線不同時平行且不與光心共面，進而建立由三條直線構成的三個非線性方程，有效解決了利用直線特征如何進行視覺定位的問題。但是非線性方程組較為復雜，定位誤差偏大。基于曲線特征的定位一般需要對復雜的非線性系統進行求解，利用共面曲線和非共面曲線進行定位，均需要對幾個高次多項式進行求解，算法較為復雜。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于圓特征及P3P算法的飛行器位姿測量方法，所述方法在飛行器上布置四個含LED燈的有源靶標，靶標外形為圓形，利用單目相機拍攝飛行器的圖像，對單幀圖像進行閾值分割及特征提取，得到靶標圓的圓心坐標，使用基于點特征的P3P算法求解飛行器相對于相機的位姿關系，并引入第四個特征點的信息消除歧義解，最終確定真值解，得到飛行器的位姿信息，實現飛行器可靠精準的自主降落。

本發明提供一種基于圓特征及P3P算法的飛行器位姿測量方法，包括以下步驟：

S1、利用單目相機拍攝飛行器的圖像，所述飛行器上布置有四個用于特征識別及提取的靶標，并確定每個靶心在世界坐標系中的坐標；

S2、對步驟S1中的圖像進行平滑濾波，然后利用閾值分割方法處理得到二值圖像；

S3、根據步驟S2中得到的二值圖像中的輪廓中的像素點的數量篩選出靶標的輪廓；

S4、在像素坐標系中，利用所述步驟S3中得到的靶標的輪廓，計算靶心的坐標；

S5、任意選取三個靶標，根據步驟S4中得到的像素坐標系中的靶心的坐標以及相機內參數、步驟S1中確定的世界坐標系中的靶心的坐標，計算位姿參數解集；