[发明专利]基于机器视觉自动准直立方镜的方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器总装测量技术领域，具体涉及使用机器视觉的方法测量立方镜的位置和姿态，然后基于机器视觉测量得到的立方镜位置和姿态引导经纬仪移动到相应的位置，并调节经纬仪角度，实现经纬仪对立方镜的自动准直。

背景技术

精度测量是航天器可靠运行的重要保证环节，为了保证航天器的正常运行，必须在地面总装时对其结构外形和有精度要求的仪器设备进行几何精度测量，如航天器上的地球敏感器、太阳和星敏感器、惯性器件等姿态敏感仪器；10N推力器、490N发动机等动力组件；天线、相机等传感通信设备。被测量的设备一般用被测设备上已被标定的光学立方镜进行表征，被测仪器的坐标系坐标轴由光学立方镜的反射面法线代表。

目前的测量方法是采用高精度的电子经纬仪进行人工准直测量。经纬仪准直立方镜的操作是依赖操作人员手动寻找目标，准直或瞄准待测镜面后读出经纬仪转动角度，然后解算出立方镜的位置和姿态。现有的经纬仪准直测量过程对操作人员要求较高，测量效率不高。专利“基于图像识别的经纬仪自动准直方法”可以在目标进入经纬仪视场内后进行自动准直，但是依然需要操作人员先寻找目标，并调整经纬仪使得目标进入视场，自动化程度有待提高。

通过机器视觉测量的方法识别特定靶标可以提高经纬仪测量系统的自动化程度，减少对操作人员的依赖，提高测量效率和测量稳定性。目前，国内外都在进行利用视觉测量方法引导其他测量系统的相关研究，例如国防科技大学的Xiaohu Zhang,ZhaokunZhu,YunYuan,etc.A universal and flexible theodol ite-camera system for making accurate measurements over large volumes.Optics and Lasers in Engineering.2012,(50),1611–1620中披露了一种基于经纬仪和全站仪提出了一种经纬仪-相机视觉测量系统(TVS)，该系统由2台全站仪组成。针对该系统研究了相应的图像校正算法、坐标系标定方法、目标识别算法。

天津大学的CN200610129442.1号专利公开了一种基于自动视觉引导的大尺寸空间坐标测量方法及检测装置。经纬仪通过可变焦摄像机的引导完成对被测点的自动识别及测量，由各经纬仪间的交汇约束实现大尺寸内空间坐标的自动识别及精密测量。该系统在左右两台经纬仪上安装了激光器，发射的激光点打到被测物体上的特殊标志点，通过相机的视觉引导实现激光点与靶标点的重合，然后进行测量。

以上两种方法都实现了特定靶标点的识别和坐标测量，但要将其应用于航天器立方镜测量中必须在立方镜上贴特定的靶标，这在工程中是不允许的。而且以上方法没有实现对立方镜的准直引导功能，无法进行镜面法向的自动测量。因此，需要研究一种可用于立方镜准直测量的视觉引导方法，实现立方镜自动准直，提高测量效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的立方镜准直测量自动引导方法，基于立方镜的几何特征实现对立方镜的识别和位姿测量，测量精度达到0.5°，从而实现对经纬仪的自动引导。通过自动引导使立方镜法线进入经纬仪视场范围内，然后与中国专利“基于图像识别的经纬仪自动准直方法”(201310553352.5)相结合，提高利用经纬仪准直立方镜进行立方镜角度测量的自动化程度，降低准直测量过程对操作人员的依赖。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于机器视觉的立方镜准直测量自动引导方法，包括以下步骤：

(1)在经纬仪上安装一台或一台以上的工业相机，使其与经纬仪一起转动，并保持相对位置关系不变，待测立方镜设置在高精度转台上，高精度转台设置在经纬仪的观测范围内；

(2)标定出工业相机的内部参数、相机坐标系与经纬仪坐标系之间的转换矩阵、经纬仪的运动导轨与高精度转台的位置关系并确定经纬仪初始位置；

(3)控制相机采集待测立方镜的图像，通过图像处理识别立方镜并提取出立方镜的角点(八个角点)，得到角点在图像坐标系下的坐标值；

(4)建立相机坐标系、立方镜坐标系和经纬仪坐标系之间的数学模型，在该数学模型下，基于待测立方镜同一角点的三条棱边的相互垂直关系和各个棱边的长度，求解出待测镜面法向和立方镜中心在相机坐标系下的坐标值，并根据上述相机坐标系与经纬仪坐标系之间的转换矩阵将其转换成经纬仪坐标系下的坐标值；