發(fā)布時間：2017-12-11 19:03

  本文關(guān)鍵詞：復(fù)雜場景下合作靶標(biāo)的準(zhǔn)確快速識別與定位

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【摘要】：空間站機(jī)械臂是空間站的重要組成部分。它能在太空艙外完成對接、停泊、加油、維修、升級、運輸、救援和去除軌道碎片等多項操作。通常情況下,機(jī)械臂上固定著視覺傳感器(手眼相機(jī))和抓捕機(jī)構(gòu),被捕獲的貨物上安裝有合作靶標(biāo)(已知固定形狀的輔助測量標(biāo)志物)和被抓捕機(jī)構(gòu)。視覺傳感器獲取合作靶標(biāo)圖像,用視覺方法實時測量出合作靶標(biāo)與手眼相機(jī)之間的相對位姿,繼而轉(zhuǎn)換成為抓捕機(jī)構(gòu)與被抓捕機(jī)構(gòu)之間的相對位姿,以作為機(jī)械臂規(guī)劃抓捕路徑的依據(jù)。然而,視覺相機(jī)背景復(fù)雜、光照條件惡劣、位姿多變,圖像可能存在輕度運動模糊。此外,定位精度和實時性要求高,航天級硬件資源有限。可見,復(fù)雜場景下合作靶標(biāo)的準(zhǔn)確快速識別與定位是空間站機(jī)械臂得以成功執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。它由以下幾點主要研究內(nèi)容構(gòu)成:靶標(biāo)設(shè)計、靶標(biāo)識別、標(biāo)志點中心定位、位姿測量及手眼標(biāo)定。合作靶標(biāo)設(shè)計是識別及定位的重要前提,決定識別的策略和難度,影響位姿測量的精度。本文結(jié)合圓環(huán)、直線,以圓點作為標(biāo)志點,設(shè)計了一款合作靶標(biāo);基于該設(shè)計分析了位姿測量精度、相機(jī)運動范圍和速度。該設(shè)計方案的特征與太空背景有明顯區(qū)別,簡化了識別過程,同時適用于人眼觀察和機(jī)器視覺測量,確保了高精度的相對位姿測量。合作靶標(biāo)識別是高精度定位的必要條件。然而,在復(fù)雜場景下,占用盡量小的存儲量,準(zhǔn)確、快速識別位姿多變的合作靶標(biāo)并非易事。本文首先采用基于梯度幅度直方圖的自適應(yīng)閾值和局部最優(yōu)邊緣點選擇策略,在圖像中畫出單像素、平滑、連續(xù)的感興趣邊緣;繼而,利用等照度曲率信息、亥姆霍茲原理等進(jìn)行基于邊緣的快速圓識別;接著在每個圓旁邊,根據(jù)圓心和半徑、靶標(biāo)的尺寸和運動范圍計算得到的自適應(yīng)正方形區(qū)域內(nèi),進(jìn)行直線檢測,進(jìn)而識別靶標(biāo)。多種復(fù)雜環(huán)境下的大量實驗表明,合作靶標(biāo)的識別準(zhǔn)確率均高于97.5%。該算法準(zhǔn)確率高、速度快,并且對位姿、光照、運動模糊等條件均魯棒。圖像上靶標(biāo)標(biāo)志點的中心定位精度嚴(yán)重影響相對位姿測量的準(zhǔn)確性。本文通過標(biāo)志點識別及中心定位兩個步驟,對標(biāo)志點進(jìn)行高精度中心定位。前者首先在靶標(biāo)區(qū)域內(nèi),提取靶標(biāo)中心、圓環(huán)大小、前景灰度、背景灰度等參考信息;繼而基于這些信息,使用區(qū)域生長法在合理邊緣中尋找標(biāo)志點。后者采用改進(jìn)的非極大值抑制、基于圖像灰度的亞像素邊緣計算、橢圓擬合等算法求取亞像素級的標(biāo)志點中心坐標(biāo)。在光照不均勻、運動模糊等條件下,上述算法能準(zhǔn)確識別標(biāo)志點;中心定位平均誤差小于0.03 pixel�？梢�,該算法魯棒性強、準(zhǔn)確率高,確保了高精度的相對位姿解算。本文根據(jù)標(biāo)志點中心的像素坐標(biāo)、靶標(biāo)物理尺寸和攝像機(jī)內(nèi)參,利用P3P算法求解靶標(biāo)相對于相機(jī)的位姿。欲將該位姿轉(zhuǎn)換為抓捕機(jī)構(gòu)與被抓捕機(jī)構(gòu)之間的相對位姿,需要求解相機(jī)與機(jī)械臂手爪之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,即手眼標(biāo)定。本文利用矩陣重排法,提出了一種基于合作靶標(biāo)的在軌手眼標(biāo)定方法。經(jīng)驗證,該方法標(biāo)定誤差小于0.01 mm,滿足機(jī)械臂系統(tǒng)精度要求。其優(yōu)點在于,可以實現(xiàn)在軌標(biāo)定,操作步驟簡單,計算量小,精度高。使用大量仿真和實際圖像對算法的靶標(biāo)定位精度進(jìn)行了測試。結(jié)果顯示,在靶標(biāo)與相機(jī)距離0.3 m處,X、Y、Z三個軸的旋轉(zhuǎn)測量誤差均小于0.02°,平移誤差小于0.20 mm;在距離1.5m處,三個軸的旋轉(zhuǎn)誤差都低于0.15°,平移誤差皆在2.00 mm以內(nèi)。本文算法十分適用于航天項目中合作靶標(biāo)的高精度定位。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41

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本文編號：1279553