[發明專利]航天器集群地面模擬系統中導航定位裝置與方法

在審

• 申請號: 202010693796.9
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111768453A
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發明（設計）人: 夏紅偉;孫浩然;李莉;馬廣程;安昊
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80;G06T7/194;G06T5/30;G06T7/90;G06T7/70;G06T5/00;G01C21/20;G01C11/04;G01B11/00;G01B11/24
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

1.航天器集群地面模擬系統中導航定位裝置，其特征在于，包括：工業相機1、相機支架2、試驗臺3、運動目標4和位姿測量PC機5；

其中，工業相機1鏡頭裝有紅色濾光片，相機支架2與工業相機1固連，用于支撐工業相機1，運動目標4在試驗臺3上做一維轉動和二維平動，工業相機1采集包含運動目標4的圖像并傳輸給位姿測量PC機5，位姿測量PC機5根據圖像二維坐標解算得到運動目標4在三維空間的位姿信息。

2.根據權利要求1所述的航天器集群地面模擬系統中導航定位裝置，其特征在于，所述運動目標4上設置有靶標，靶標固連于運動目標4，靶標由七個紅色LED燈組成，配合工業相機1配置的紅色濾光片。

3.根據權利要求2所述的航天器集群地面模擬系統中導航定位裝置，其特征在于，所述靶標的七個紅色LED燈中，ABC三個燈為基準燈，用于目標三維空間的位姿解算，三個燈的圓心兩兩相連可組成一個等腰三角形，1234四個燈為編碼標志燈，用于區分不同的運動目標。

4.根據權利要求3所述的航天器集群地面模擬系統中導航定位裝置，其特征在于，所述基準燈ABC參與位姿解算，因此尺寸較大。

5.根據權利要求4所述的航天器集群地面模擬系統中導航定位裝置，其特征在于，所述編碼標志燈1234僅用于區分不同目標，因此尺寸較小。

6.根據權利要求1所述的航天器集群地面模擬系統中導航定位裝置的導航定位方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：相機標定

開始采集圖像之前進行相機標定，分析相機的成像過程，在不考慮鏡頭畸變的前提下，建立相機的針孔成像模型；

步驟二：采集圖像

標定相機后相機采集運動目標的圖像信息并傳遞給位姿測量PC機，用圖像處理軟件對采集到的圖像進行處理；

步驟三：圖像預處理

圖像的預處理包括灰度化、二值化和形態學處理；

灰度化:將相機采集到的彩色圖像轉化為灰度圖像，方便之后的二值化處理；通過將一個像素上RGB三個顏色通道上的亮度值加權求和作為這個像素的灰度值；

二值化:將圖像中的前景點和背景點區分出來，方便之后的輪廓提取操作；通過將每個像素的灰度值與固定的閾值比較大小，根據比較的結果判斷該像素為前景點或背景點；

形態學處理:減少圖像中的噪聲點，避免對之后的質心提取操作造成干擾；主要用到兩種最基本的形態學濾波操作，腐蝕和膨脹；腐蝕是對原圖中的高亮部分進行腐蝕，腐蝕后圖像的高亮區域比原圖更小；膨脹是對圖像中的高亮部分進行膨脹，膨脹后圖像的高亮區域比原圖更大；腐蝕或者膨脹通過將圖像或圖像的一部分與核進行運算；圖像或圖像的一部分區域記做A，核記做B,核的形狀為小的長度可變的長方形或橢圓形，可以將核視作形態學變換的模板；

腐蝕是求局部最小值的操作，核B與圖形A卷積，即計算核B覆蓋的區域的像素點的最小值，并把這個最小值賦值給參考點指定的像素，使圖像中的含有噪聲的高亮部分被腐蝕；

膨脹是和腐蝕相反的操作，用來求圖像的局部極大值；通過計算核B覆蓋的區域的像素點的最大值并賦值給參考點指定的像素，使圖像中的高亮區域逐漸膨脹；

經過形態學腐蝕和形態學膨脹操作后，二值圖像中的孤立噪聲點會被消除，便于之后對標志點的提取；

步驟四：輪廓提取

預處理之后需要進行輪廓提取，采用區域生長的方法提取輪廓，基本方法是從一組種子點開始，將與種子預先定義的性質，如特定范圍的灰度或顏色，相似的那些鄰域像素添加到每個種子上來形成這些生長區域，輪廓提取成功后根據連通域的面積將基準燈與編碼標志燈區分開來；

步驟五：質心計算

對上述提取的連通域分別求取質心，采用基于連通域空間矩的質心計算方法；

步驟六：位姿解算

最后進行運動目標的位姿解算，通過之前的操作已經將基準燈與編碼標志燈區分開來，并且得到了質心的坐標，因此在位姿解算時，首先根據四個編碼標志燈的亮滅組合得到運動目標的序號，然后根據三個基準燈的質心坐標解算運動目標在三維空間中的位姿。