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。     

空间遥感相机星上图像复原系统设计

为了能够在轨、实时对空间遥感图像做增强处理,设计了一个基于现场可编程门阵列(FPGA),应用于空间遥感相机的星上实时图像复原系统,实现在轨实时处理遥感图像,增强图像清晰度并有效抑制噪声。图像复原系统采用模块化设计,调制传递函数(MTF)在轨测量计算模块实现了边缘扩展函数计算、线扩展函数计算、归一化MTF计算,以及调制传递函数补偿(MTFC)参数计算与存储等功能;MTFC图像滤波抑噪算法模块实现了二维图像实时滤波以及抑制噪声功能。使用ISE软件的系统生成器模块设计了图像处理算法,简化了系统设计和验证流程。复原系统运行结果表明,图像经过实时复原处理后,图像灰度梯度、点锐度、边缘能量、方差都有大幅提高;复原后图像信噪比与原始图像相比降低很小,对于MTF的中高频域增强。图像复原系统采用模块化设计,实时复原效果好,可灵活应用于多种场合。     

空间机械臂视觉相机内参标定技术研究

针对空间机械臂视觉相机的任务需求与配置,内参标定技术是相机高精度获取合作目标位置、方向等运动信息的首要前提和重要保障。文章设计了一种基于二维平面靶的机械臂相机内参标定方法,用于解算焦距、主点坐标、畸变系数等。首先,利用相机拍摄多幅平面靶图像,求解平面靶与相机图像之间的映射矩阵;其次,构建相机内参约束方程;再次,利用特征值分解,解算焦距、主点坐标等参数值;最后,引入径向、切向畸变构建非线性模型,将解得的内参作为初值,利用Levenberg-Marquardt优化算法即可计算出相机内参最优解。试验结果表明,该方法完全适用于机械臂相机内参标定,标定结果均满足机械臂视觉相机获取合作目标三维位姿的测量精度要求。     

“高分二号”卫星遥感相机图像采集与功能验证系统设计

"高分二号"卫星遥感相机是国家高分专项重点项目,其视频电子学设备采用了Gbit高速串行数传接口,同时应用了图像预处理算法,传统的快视设备无法满足其测试要求。文章设计了一种高速图像采集与算法验证系统,以Virtex-5现场可编程门阵列为处理核心、Gbit串行/解串芯片为图像输入接口,集成JPEG2000协议芯片、DDR2缓存以及Camera Link图像显示接口。介绍了硬件实现的关键技术,并描述了系统对相机成像功能、高速数传以及图像压缩的验证。该验证系统保障了相机研制,为图像采集和处理提供了参考。     

基于多相机的空间机械臂视觉系统

视觉系统是空间机械臂的重要组成部分,空间机械臂除开环控制外的所有工作模式都不能离开视觉系统的引导和辅助而独立实现。文章以建立满足空间机械臂实际应用需求的视觉系统为目标,提出通过分布在不同空间位置的多个相机的协同工作扩展并增强视觉系统的监视和测量能力,并从系统组成、工作模式、测量方式等多方面完成空间机械臂视觉系统方案设计。仿真试验结果表明,目标三维位姿的测量误差与视觉标记点检测结果的误差近似成线性关系,视觉标记点检测的准确性对目标位姿测量的精度具有重要影响。室内环境试验结果表明,在视觉系统的引导下机械臂能够自主完成对目标的定位和捕获,视觉系统满足空间机械臂大范围运动和精准操作任务的应用需求。     

TDICCD相机数据采集与图像处理技术

研制了一种TDICCD相机实时图像采集和微机快视系统,文中介绍了该系统的3个模块:信号采集电路、图像存储和微机滚动显示部分。     

空间机械臂手系统在轨精细维修操作的标定策略

分析空间机械臂手系统在轨精细维修操作的尺寸链误差,提出一种利用机械臂手眼相机标定维修操作对象修正离线路径规划的策略,解决了机械臂、维修对象在轨安装和天地重力差异带来的误差环节,设计并完成了地面试验。通过在轨实施验证了标定策略的正确性,圆满完成了我国空间机械臂首次在轨维修试验。     

基于空间转换模型的工业机械臂手眼标定方法研究

针对反射镜质量大、尺寸大且装配精度要求高的需求,文章研究了一种机械臂装配系统手眼标定优化方法。有别于传统手眼标定方法仅求解相机与末端执行器相对位姿矩阵的关系,文章将相机成像模型、机械臂运动学模型与eye-to-hand形式的手眼模型进行整体建模,建立了基于装配系统的空间转换模型,采用递推最小二乘参数识别算法对机械臂进行运动学参数标定,研究了机械臂运动学误差分布,完成了手眼标定,提高了机械臂系统的装配精度,绝对定位精度由1.81mm提高至0.29mm,提高了83.98%,实验验证了该方法的有效性。     

基于FPGA的实时图像采集和去噪系统设计

对采集或传输过程中受到的噪声干扰信号进行预处理,并保持图像传输的实时性,是图像处理系统需要解决的问题。对于实时性要求高的图像处理系统而言,用软件来实现噪声的预处理相对来说是比较耗时的,因此必须寻求其他解决方式。文章设计基于FPGA的新型模块化集成电路来实现图像采集和去噪,并通过试验和仿真测试验证了设计的实时效果。     

TDICCD相机数据采集与图像处理技术

研制了一种ＴＤＩＣＣＤ相机实时图像采集和微机快视系统，文中介绍了该系统的３个模块：信号采集电路、图像存储和微机滚动显示部分。     

高速摄像技术在火箭橇头罩分离试验中的应用

火箭橇头罩分离试验中,需要采集头罩分离前后的高速图像。由于火工品爆炸时间短,振动与冲击环境恶劣,普通摄像设备难以满足要求。文章介绍了一种小型化、低功耗、能够适应强振动与冲击环境的高速摄像系统,该系统由具有Camera Link接口的工业相机、图像采编单元和数据存储单元组成,图像采编单元对工业相机图像数据进行编码,并通过LVDS接口传输至数据存储单元;数据存储单元使用FPGA控制SATA接口固态硬盘实现无损图像数据的实时存储。通过减振和自动调光设计,此系统能够适应强振动与冲击环境,并能自动快速适应各种光照环境,已成功应用在某火箭橇头罩分离试验中,实现了分辨率为800×600、帧率为120帧/s的连续图像存储,存储时间不低于30 min,存储的图像数据完整可靠。     

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。     

SpaceMocap：在轨人体运动捕捉系统

SpaceMocap是一套基于多RGB-D相机的计算机视觉航天员运动捕捉系统。地面准备阶段，扫描航天员模型，并分别标定彩色相机的内参数。在轨采集阶段，3~4台相机布置在舱内角落，同步采集航天员任务视频。地面处理阶段，通过相机外参数标定和ICP方法实现点云融合，采用深度神经网络对人体关节点位置进行检测并初始化位姿参数，再用改进的ICP方法进行位姿求精，实现序列图像中关节角度跟踪。本系统搭载TG-2升空，对SZ-11航天员的任务视频进行了采集和处理，首次获取了在轨航天员的姿态(包括中性体位)、占位空间、运动参数等重要数据。结果表明，运动捕捉的模型与点云具有良好的重合度，关节点位置与关节角度具有较高的跟踪精度。SpaceMocap是我国首个在轨运动捕捉系统，它小型、轻质，具有计算机视觉特有的非接触测量、直观、高精度优势，无需在人体上粘贴任何标志，具有良好的抗遮挡能力，完全适用于微重力、狭小空间环境下的在轨应用 。     

北京三号B卫星海量数据传输处理系统设计与实现

海量数据传输与处理技术是高分辨率遥感卫星系统的关键技术,北京三号B卫星作为高分辨率光学遥感卫星其图像传输速率高达几十吉比特每秒,因此设计了一种基于万兆网接口与高速串行收发器GTX/GTH接口的数据传输与处理系统。该系统使用万兆网接口接收前端相机载荷数据,使用GTX/GTH接口实现产品内数据互联,并基于超大规模现场可编程门阵列(FPGA)作为核心处理芯片实现海量数据路由分发、编解码和处理。测试结果表明：可实现36.04 Gbit/s数据接收和60 Gbit/s数据传输处理能力,并具有可靠性高、系统延时小、通用性强的优点。与传统数传方案相比,系统数据处理能力提高了一倍以上,且显著降低了硬件成本。     

一种高速图像实时采编存储系统设计

介绍一种由图像采编单元和数据存储单元组成的高速图像实时采编存储系统。图像采编单元采用FPGA的LVDS接口直接连接Camera Link接口的工业相机,无需采用专用接口芯片,降低了成本和功耗。图像采编单元对采集的图像数据进行编码,并通过LVDS接口传输至数据存储单元。数据存储单元使用一块SATA接口固态硬盘作为存储介质,持续存储速度为90MB/s,采用千兆以太网作为数据下裁接口,平均数据下载速度为22MB/s。测试结果表明,系统可支持分辨率为644×484、帧率为240帧/s的连续图像存储,存储的图像数据完整可靠。     

CCD遥感图像的实时压缩系统设计与实现

文章研究高速CCD遥感图像压缩的系统设计与实现。与其它图像数据相比,CCD遥感图像数据具有高速率、高量化位数的特点。针对CCD相机输出图像的数据特点,基于ADV212压缩芯片,提出了一种高速CCD遥感图像压缩系统的构架方案。该方案采用FPGA+ADV212+SRAM的硬件结构方式,以FPGA作为系统的主控,SRAM完成输入数据的缓存处理,ADV212完成图像数据的高效压缩处理。文章最后构建了压缩系统的实验验证平台,对系统的性能进行了实验验证。试验结果表明,文中提出的系统压缩方案,压缩前后图像品质没有明显差异,可以满足遥感图像压缩系统的实时处理要求。     

卫星振动对成像质量影响的仿真分析

分析了在空间环境条件下摄影时，不同振动模型对卫星上推扫型CCD相机成像质量的影响结果。重点分析了三个方向的振动对相机成像质量的影响。对为了验证仿真分析的结果，建立了一套地面仿真系统。它能模拟产生各种频率和不同量级振幅，具有采集和处理相机图象数据的能力。系统用图像调制传递函数MTF作为系统评价指标。经过分析、计算和试验，证明所推出的公式和建立的物理仿真系统可以用于航天光学遥感器的成像质量预估和评价，并可用于对其它遥感器的分析。     

月球采样机械臂系统设计及试验验证

在对月球采样返回任务需求及探测器系统任务剖面进行分析的基础上，设计并研制了一种轻量化、大负载、高精度、宽采样范围月球采样机械臂系统。该系统主要由4自由度机械臂及两种不同采样形式的末端采样器组成，可对不同指定区域浅层月壤进行铲、挖、浅钻等多形式采集。在综合考虑机械臂系统器上布局的基础上，基于运动学模型对采样机械臂的可达采样区域进行仿真分析，提出采样机械臂月面采样策略。基于等尺寸着陆器模拟平台，开展了针对3种不同密实度模拟月壤的采样试验，采样试验结果表明在可达采样空间内，采样机械臂对不同密实度月壤均具有较好的适应性，最大采样深度可达30 mm，最大单次采样量可达270 g，单次采样时间小于2 min。     

空间机械臂的一种自标定方法

由于各种因素的影响，在轨机械臂的结构参数势必不同于其在地面时的结构参数。为提高机械臂作业时的定位精度，必须对其进行重新标定。提出了一种自带CCD相机的空间机械臂结构参数的自标定方法，解决了在太空中无外部测量设备参与时机械臂的标定问题，使机械臂末端操作器的精确定位成为可能。仿真结果验证了所提方法的正确性。     

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。