空间机械臂可见光测量相机参数标定技术研究

空间机械臂可见光测量相机参数标定是制约空间合作目标三维位姿测量精度的关键技术和重要前提,它直观表征了视觉标记三维坐标与对应的二维图像坐标之间正确的映射函数。针对现有相机内外参标定方法操作步骤繁琐、积累误差大、标定精度低等工程问题,文章提出一种空间机械臂可见光测量相机内外参标定方法,引入高精度二维棋盘格标定靶与基准镜共同作为转换中介,且在相机有效观测视场内随意移动标定靶,分布式解算相机内参和外参。试验表明,相机内参离散度均不超过±0.3像元,角点重投影误差均不超过±0.5像元;外参六自由度分量标准差均不超过(0.6mm,0.05°)。上述标定方法具有较强的可操作性,极大简化了坐标转换计算复杂性,有效降低了标定过程中产生的积累误差,为机械臂实施视觉闭环自主捕获合作目标提供了可靠依据。     

非合作大目标位姿测量的线结构光视觉方法

空间机器人与非合作大目标交会接近最终段,单目相机不能获取完整的特征图像而无法完成相对位姿测量。针对此问题,提出基于线结构光和单目视觉的相对位姿测量方法。以非合作大目标上的局部矩形特征为测量对象,首先,建立相对位姿测量模型并给出四个测量坐标系之间的关系;其次,通过相机对不完整矩形和线结构光的约束获得四个特征点在相机坐标系下的坐标;然后,利用四个特征点计算相机坐标系与目标坐标系之间的转移矩阵;最后,将转移矩阵分解得到矩形特征的相对位姿。通过改变影响测量精度的输入误差和标定误差等因素对该方法进行仿真验证,结果表明该测量方法是有效的。     

月球车鱼眼相机的标定方法研究

提出了一种两步法来高精度地标定月球车中鱼眼相机的方法.第一步,采用球面投影方程来表示鱼眼相机的成像模型,并建立球面投影与透视投影间的转换关系.利用直线在球面投影中的像为椭圆弧这一性质,求得球面投影中像主点坐标和球半径.第二步,用求得的上述参数将球面投影图像转化为透视投影图像,并进行相机内参数的标定.用新标定得到的像主点坐标和球半径代替上次结果,再次进行投影转换和内参数标定,按此进行迭代计算,直至标定结果收敛于设定阈值.最后,本文还通过了一组实验验证了该方法的正确性.     

基于稀疏直方图的空间机械臂视觉目标跟踪方法

视觉系统作为空间机械臂的重要组成部分,一项重要功能就是在复杂空间环境下在规定周期内自主、可靠地完成对空间目标的跟踪,即在相机采集的图像序列中定位目标区域。文章面向空间机械臂视觉跟踪的应用需求,提出一种基于稀疏直方图的视觉目标跟踪方法,在目标区域内选取相互重叠的局部图像块,通过组合全部图像块的稀疏系数构造直方图以获取目标表示,采用基于簇比重信息的相似性度量方法计算目标模板与候选目标之间的距离,将此距离作为粒子滤波的观测模型以在图像中确定目标位置。标准测试集测试、室内环境和在轨环境试验的定性和定量分析结果均表明文中方法可以实现对相机视场范围内目标的准确和可靠跟踪。     

一种标定相机内方位元素的迭代算法

为优化自标定技术解算内方位元素数学模型,阐述了一种利用自标定技术进行相机内方位元素标定的迭代算法。内方位元素结果优化采用牛顿—拉夫逊迭代算法,在保证计算效率的同时能够获得较高的精度。B双空间几何理论建立于正方形在物、像两空间的射影几何关系,利用二维棋盘格标定图像中点、线、面间固有的几何关系得到迭代算法初值;采用包含3个径向和2个切向畸变系数的畸变模型能够更好地表达镜头畸变情况;标定方法操作过程简单、实验误差小。为与张氏标定法进行比较,对使用张氏标定法的图像数据进行实验,得到与其相同标定精度的实验结果,验证了基于B双空间几何法的自标定方法的正确性和可行性。     

四自由度串联式机械臂精度测试技术研究

针对四自由度串联式机械臂精度测试过程中关节、臂杆组件基准转移、零位标定、立方镜准直及末端定位精度测试等关键技术难点,给出了相应实施方案及解算方法。提出采用三坐标测量机-激光跟踪仪联合标定的方式解决关节、臂杆组件动、静态基准转移及复现。采用激光跟踪仪-经纬仪联合标定的方式建立整臂器上装配基准。讨论了机械臂关节零位标定流程及求解算法,给出了四自由度机械臂末端精度测试流程,并详细阐述了末端定位精度解算方法。为多自由度串联式机械臂精度测试提供了技术途径。     

一种星敏感器标定误差修正方法研究

针对星敏感器地面实验室待定系数法标定的缺陷,提出了一种星敏感器标定误差修正方法以提高标定精度并根据实际标定数据进行了计算验证。基于星敏感器标定系统建立了标定理想模型。在用物理方法求得主点坐标的基础上,将焦距测量值代入星敏感器标定误差模型,只需考虑镜头畸变和像面旋转对星敏感器标定结果的影响。提出了标定误差的分步校正方法:先用径向畸变的一阶模型校正镜头畸变;再以标定理论值的中心水平线为基准,与实测值的拟合直线比较,求出实测直线与理论直线的夹角,依据点的旋转公式修正像面旋转引起的误差。某星敏感器实际标定数据表明:与待定系数法相比,该法不仅减小了标定误差大小而且改善了标定误差的均匀性。     

线扫描相机标定及畸变矫正方法

线扫描相机由于其高分辨率以及高数据处理效率的优势,使得其在测量领域的应用越来越广泛。但线扫描相机也会因光学系统畸变的存在影响成像的几何位置精度,造成图像的失真。文章面向线扫描相机标定及畸变矫正的应用需求,提出一种将一维数据映射到二维数据而不改变原始数据的方法,以利用面阵相机的标定方法来标定线扫描相机。在标定过程中,采用新型的标定板来创建世界坐标系与图像坐标系之间的关系。文章利用数字图像处理的方法,对光学镜头自身畸变进行标定和矫正,基本消除了由于图像变形而产生的测量误差,有效解决了由于镜头畸变而降低图像中物体的几何位置精度的问题。     

采用视觉伺服的月球样品容器夹持控制方法

嫦娥五号探测器月面采样封装任务需利用采样机械臂及其末端执行机构夹持样品容器,为克服非结构化月面环境对机械臂控制造成的不可知影响,确保精确夹持样品容器,提出并设计了一种视觉伺服样品容器夹持的控制方法和系统。系统通过固定安装相机和"眼在手"相机协同获取机械臂末端执行机构以及样品容器特征,采用扩展卡尔曼滤波算法对机械臂末端执行机构位姿的控制参数进行估计,消除控制位姿的轨迹抖动,实现了对样品容器的精确夹持。最后,通过分析在轨月球样品容器被夹持过程的数据和图像,验证了该视觉伺服控制方法和系统设计正确有效。     

基于数字近景摄影测量的天线变形测量

文章介绍了基于数字近景摄影测量原理的天线变形测量方法。该方法利用2台CCD相机交会摄影来获取被测面图像,并对被测面上特殊标志点进行中心坐标提取,然后利用光束法平差解算标志点中心坐标。测量精度可达到1:50000,可用于卫星天线研制过程中空间环境模拟试验的检验,为卫星天线在轨正常工作提供可靠性保证。     

传输型立体测绘相机几何精度仿真分析

航天传输型立体测绘相机几何精度和稳定性决定了立体摄影成像的精度,对其几何精度测试技术需作专门研究。文章介绍了传输型立体测绘相机几何精度测试方法,推导了基于最小二乘原理进行几何精度测试的主点、主距和畸变误差传递公式,对主点、主距和畸变测试精度进行了全面的仿真分析,仿真结果可以为测绘相机设计和测试人员提供参考。     

航天器交会对接中摄像机内参数在轨标定算法

针对航天器交会对接过程中位姿参数的测量问题,本文考虑到飞行器在轨运行期间,CCD 相机受空间环境的影响,其内参数会发生变化的实际情况,提出航天器交会对接中摄像机内参数标定的线性方法。其主要特点是摄像机只需拍摄三幅光标点图像,无须知道该组光标点的任何几何信息。通过计算圆环点,建立绝对二次曲线对摄像机内参数的约束方程即可线性求解摄像机内参数。仿真实验表明,该方法在航天器交会对接中,使得摄像机内参数的标定具有简便、实时和鲁棒性强的特点。     

Adaptive and robust algorithms and tests for visual-based navigation of a space robotic manipulator

Optical navigation for guidance and control of robotic systems is a well-established technique from both theoretic and practical points of view. According to the positioning of the camera, the problem can be approached in two ways: the first one, “hand-in-eye”, deals with a fixed camera, external to the robot, which allows to determine the position of the target object to be reached. The second one, “eye-in-hand”, consists in a camera accommodated on the end-effector of the manipulator. Here, the target object position is not determined in an absolute reference frame, but with respect to the image plane of the mobile camera. In this paper, the algorithms and the test campaign applied to the case of the planar multibody manipulator developed in the Guidance and Navigation Lab at the University of Rome La Sapienza are reported with respect to the eye-in-hand case. In fact, being the space environment the target application for this research activity, it is quite difficult to imagine a fixed, non-floating camera in the case of an orbital grasping maneuver. The classic approach of Image Base Visual Servoing considers the evaluation of the control actions directly on the basis of the error between the current image of a feature and the image of the same feature in a final desired configuration. Both simulation and experimental tests show that such a classic approach can fail when navigation errors and actuation delays are included. Moreover, changing light conditions or the presence of unexpected obstacles can lead to a camera failure in target acquisition. In order to overcome these two problems, a Modified Image Based Visual Servoing algorithm and an Extended Kalman Filtering for feature position estimation are developed and applied. In particular, the filtering shows a quite good performance if target's depth information is supplied. A simple procedure for estimating initial target depth is therefore developed and tested. As a result of the application of all the novel approaches proposed, the experimental test campaign shows a remarkable increase in the robustness of the guidance, navigation and control systems.     

传输型测绘相机内方位元素误差对高程精度的影响分析

文章通过对摄影测量学中基于空间前方交会的点投影系数法进行分析,建立了摄影测量的高程误差方程,重点分析了传输型测绘相机内方位元素误差对高程精度的影响。以1∶50 000比例尺地图产品为例,分析了某测绘相机的相机主距、主点位置、畸变等内方位元素对高程精度的影响程度,提出在测绘相机研制过程中在保证高程精度方面应注意的问题。     

视觉测振技术在柔性太阳翼模态试验中的应用

针对8 m×5 m的柔性太阳翼在倒立状态下进行模态试验，设计数字摄像视觉测振系统，基于图像特征跟踪法实现了从相机标定、图像采集、信息提取到三维振动数据获取的过程，通过工况模态辨识方法获取了柔性太阳翼模态频率及振型等动力学参数。并考虑空气和重力影响建立太阳翼有限元模型，通过与基于基恩士激光位移传感器的传统模态试验结果及仿真分析结果进行对比，验证了基于视觉测振工况模态试验方法的准确性，为柔性太阳翼在轨模态辨识奠定基础。     

图像型火灾探测技术中的火灾定位研究

针对图像型火灾探测技术中的定位问题,提出一种在摄像机内外参数未知的条件下解决火灾二维定位的方法。即首先根据定标板角点的世界坐标和图像坐标计算透视投影矩阵,并在采用图像处理技术获取火灾图像的中心坐标的基础之上,通过求解线性系统获取火灾的实际位置。     

空间飞行器交会对接相对位置和姿态的在轨自检校光学成像测量算法

空间飞行器交会对接的最后逼近阶段，通常采用光学成像敏感器来测量跟踪飞行器和目标飞行器之间的相对位置和姿态。考虑到飞行器在轨运行期间，CCD相机受空间环境的影响，其内参数会发生变化的实际情况，提出了一种单CCD在轨自检校光学测量方案，其主要特点是飞行器在执行测量任务时，可同时进行相机内参数的自检校。首先根据严格的中心投影共线条件方程，推导出目标飞行器光学特征点坐标和对应的像点坐标与内参数及相对位置和姿态的严格解析关系；然后建立了内参数及相对位置和姿态的解析表达式；提出了目标航天器上光学特征点的布设要求。通过严格的理论分析和数值仿真，单CCD在轨自检校光学测量方案具有可靠性高、精度高、算法易实现、适应能力强等优点。     

一种空间推扫型光学成像系统几何映射方法

卫星光学遥感器在轨成像会受到颤振的影响,因此图像品质受姿态稳定度的影响很大,而高分辨率图像受到平台误差的影响更加明显。通过研究空间相机的几何模型,提出了一种从地球坐标系到空间光学遥感器坐标系之间的转换关系;分析了在轨卫星的姿态误差和运动源,并在几何模型中加入了内外方位元素特征;然后进行了空间TDICCD相机的成像仿真实验。为了在像面上模拟颤振,分别进行不同模态的颤振仿真,并且对视线范围内多模态综合作用进行仿真。仿真实验是基于三个轴系方向的,并且计算了TDICCD仿真图像的几何畸变量,模型中几何畸变量的测量尺度达到亚像素级,结果有利于指导卫星平台和遥感器的参数设计。