[發(fā)明專利]航天器集群地面模擬系統(tǒng)中導(dǎo)航定位裝置與方法

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• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111768453A
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 夏紅偉;孫浩然;李莉;馬廣程;安昊
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 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

本發(fā)明提供了航天器集群地面模擬系統(tǒng)中導(dǎo)航定位裝置與方法，屬于計算機視覺與圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明定位裝置中工業(yè)相機鏡頭裝有紅色濾光片，相機支架與工業(yè)相機固連，用于支撐工業(yè)相機，運動目標(biāo)在試驗臺上做一維轉(zhuǎn)動和二維平動，工業(yè)相機采集包含運動目標(biāo)的圖像并傳輸給位姿測量PC機，位姿測量PC機根據(jù)圖像二維坐標(biāo)解算得到運動目標(biāo)在三維空間的位姿信息，定位方法采用相機標(biāo)定、采集圖像、圖像預(yù)處理、輪廓提取、質(zhì)心計算和位姿解算等步驟。本發(fā)明可實現(xiàn)多目標(biāo)的位姿測量；提高了運行速度，能夠滿足實際工程中實時性的要求；并且可有效的抑制復(fù)雜環(huán)境中的干擾，提高了抗干擾能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種航天器集群地面模擬系統(tǒng)中導(dǎo)航定位裝置與方法，屬于計算機視覺與圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

論文“一種簡易的單目視覺位姿測量方法研究”(期刊，谷鳳偉、高宏偉、姜月秋，2018年8月)中針對特定工作條件下機器人位姿測量問題，研究和設(shè)計了一種簡易的基于單目視覺的位姿測量系統(tǒng)，提出了一種精確的靶標(biāo)檢測算法與單目視覺測量方法相結(jié)合的方案，可實現(xiàn)機器人位姿的測量。實驗證明，該方法準(zhǔn)確有效，滿足測量要求。其中提出的單目視覺測量方法雖然能夠準(zhǔn)確有效的得到靶標(biāo)的位姿，但是其所設(shè)計的靶標(biāo)不能進行多目標(biāo)的區(qū)分，因而只適用于單目標(biāo)的位姿測量，具有一定的局限性。

論文“一種應(yīng)用于多目標(biāo)識別和位姿測量的編碼靶標(biāo)”(中國科技論文，譚校納、張世杰，20081111)中設(shè)計了一種黑白編碼靶標(biāo)，該靶標(biāo)由一個中心標(biāo)志和四個位于圓上的標(biāo)志組成，依據(jù)圓周上多個點之間的角度信息實現(xiàn)對靶標(biāo)的編碼。介紹了編碼方案，給出了靶標(biāo)識別和相應(yīng)的位姿測量方法。針對透視投影后靶標(biāo)圖像出現(xiàn)變形的問題，通過坐標(biāo)變換消除了變形。經(jīng)仿真實驗表明，靶標(biāo)特征顯著易于識別，位姿測量算法穩(wěn)定且具有一定的抗干擾能力。其中給出的黑白編碼靶標(biāo)雖然特征顯著易于識別能夠區(qū)分多個目標(biāo)并且具有一定的抗干擾能力，但是在位姿解算的過程中每個目標(biāo)需要5個標(biāo)志點參與運算，當(dāng)目標(biāo)數(shù)量增多時會極大地增加計算量，影響運行速度，很難滿足實際工程實時性的要求，具有一定的局限性。

論文“基于單目視覺和固定靶標(biāo)的位姿測量系統(tǒng)”(期刊，王天宇、董文博、王震宇，2017年4月)中研究和設(shè)計了一種基于固定靶標(biāo)的單目視覺定位系統(tǒng)和方法，用最少硬件資源實現(xiàn)精密定位。首先，利用圖像匹配的方法檢測出平面靶標(biāo)在圖像中的坐標(biāo)，圖像匹配采用SIFT算法和映射匹配方法，之后利用固定靶標(biāo)的特性求取中心點。實驗利用多幅圖像樣本驗證了圖像匹配的準(zhǔn)確性和魯棒性。然后，針對呈矩形分布的PnP問題，提出了一種新的求解方法，以靶標(biāo)控制點的圖像坐標(biāo)和空間坐標(biāo)作為輸入，得到了移動物體與攝像機的三維相對位姿。其中提出的位姿測量系統(tǒng)，雖然可以用最少的較少的硬件比較準(zhǔn)確的得到移動物體與攝像機的相對位姿，但是該系統(tǒng)在環(huán)境比較復(fù)雜的情況下容易受到干擾，只適用于場景比較簡單的情形，具有一定的局限性。

基于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提出一種航天器集群導(dǎo)航定位裝置與方法，首先，提出一種新的位姿測量靶標(biāo)，它能夠有效區(qū)分15個不同目標(biāo)，具有抗干擾能力強、制作成本低等特點。其次，提出了一種高精度位姿測量解算算法，它在保證高精度的前提下能夠大大提高運行速度，具有很好的實時性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，進而提供一種航天器集群地面模擬系統(tǒng)中導(dǎo)航定位裝置與方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種航天器集群地面模擬系統(tǒng)中導(dǎo)航定位裝置，包括：工業(yè)相機、相機支架、試驗臺、運動目標(biāo)和位姿測量PC機；

其中，工業(yè)相機鏡頭裝有紅色濾光片，相機支架與工業(yè)相機固連，用于支撐工業(yè)相機，運動目標(biāo)在試驗臺上做一維轉(zhuǎn)動和二維平動，工業(yè)相機采集包含運動目標(biāo)的圖像并傳輸給位姿測量PC機，位姿測量PC機根據(jù)圖像二維坐標(biāo)解算得到運動目標(biāo)在三維空間的位姿信息。

一種航天器集群地面模擬系統(tǒng)中導(dǎo)航定位方法，包括以下步驟：

步驟一：相機標(biāo)定