[发明专利]基于光场单相机的非合作航天器三维位姿测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及机器视觉技术领域，特别是涉及一种基于光场单相机的非合作航天器三维位姿测量系统。

背景技术

对空间非合作目标进行捕获，实际上是追踪航天器和目标航天器之间相对位姿精确测量与控制的过程，空间相对状态确定技术是成功实现空间抓捕的关键。目前国内外研究及应用的主要非合作目标航天器的相对位姿测量技术有GPS导航卫星测量，微波雷达测量，激光雷达测量，光学成像测量等。

其中光学成像敏感器的有效工作距离范围比较大，通过相关图像信息处理技术能够在不同距离获取不同的相对位姿信息。在远距离时，光学成像敏感器对目标航天器成像得到弱小目标或面目标图像，通过图像信息处理技术提取出图像中的目标区域，对其进行识别和特征跟踪，获得相对导航所需的目标航天器相对距离及方位角等导航信息；近距离时，光学成像敏感器对目标航天器成像得到高分辨率图像，图像中包含丰富的几何特征信息，如角点和直线等，提取出这些几何特征信息，进而通过立体匹配或特征跟踪实现对目标航天器表面的三维重构，最终解算相对位姿参数。据此，光学成像测量系统由于具有成本低、设备简单、功耗低以及光学图像信息量大等优点，成为最主要的测量敏感器。

现有的技术方案有如下问题：首先，基于双目视觉方法时目标航天器的相对位姿是通过特征点的空间位置来确定的，特征点的位置误差来源很多，如模型误差、图像噪声误差、量化误差等，导致基于双目视觉方法的深度信息计算不准确；基于单目相机的空间位姿测量系统需要围绕目标航天器飞行围绕飞行造成空间在轨服务系统燃料的巨大消耗，而对图像序列的处理也需要更庞大的图片存储设备及多图片处理设备，而基于多目视觉方法的立体视觉导航系统则需负载多个相机及其电源等配套设备。极大的增加了整个空间在轨服务系统的成本。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于光场单相机的非合作航天器三维位姿测量系统，能够相对于已有的测量方案简化工作模式、提高实时性、减少能耗。通过改变镜头和算法参数，可以适用于较广深度范围内的非合作航天器位姿实时测量。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术来实现的，本发明包括包括硬件系统和算法两部分；硬件系统包括主动对接航天器、被动对接航天器和高分辨率光场单相机，高分辨率光场单相机安装在主动对接航天器上，高分辨率光场单相机由一台高分辨率工业相机的光敏感成像元件前装配一块高分辨微透镜阵列而成；算法包括光场单相机校准算法、光场单相机深度估计算法和基于深度估计点云结果的三维形貌重建算法；三维形貌重建算法整合深度估计算法的结果，形成航天器可视化的深度图像。

优选地，在本发明中，高分辨率光场单相机的微透镜阵列与光敏感成像元件平行放置，且之间的距离与最优距离的误差小于0.1％。

优选地，在本发明中，光场单相机校准算法包括以下步骤：第一，相机校准；第二，模拟测试；第三，实地拍摄；第四，深度估计；第五，三维重建。

优选地，在本发明中，光场单相机校准算法包括以下步骤光场单相机深度估计算法包括以下步骤：第一，拍摄图片；第二，对极平面图像堆叠；第三，获取兴趣点的斜率；第四，判断可靠性；第五，生成点云；第六，重建三维模型。

优选地，在本发明的光场单相机校准算法中，相机校准为采用标准的黑白棋盘校准板，置于不同距离进行拍摄，并获取棋盘位置信息；模拟测试是于航天器未发射前，将光场单相机置于于外太空类似的环境中，以确保整个测试方案能够正常运行。

优选地，在本发明的光场单相机深度估计算法中，获取兴趣点的斜率是经由多视角图像堆叠形成对极几何图像，从图像切面中获取物体表面特征点的斜率值；生成点云是将所有带有深度信息的点经由相机校准数据校准后，形成点云；重建三维模型是根据点云以及原始图像来重建三维模型。

优选地，在本发明中，光场单相机在校准过后，需要保证其镜头参数严格不变，且优于太空条件限制，相机校准需要在发射之前完成。

优选地，在本发明中，深度估计算法和基于深度估计点云结果的三维形貌重建算法，在不失实时性的同时，权衡计算效率与高速图像处理单元的能耗。

与现有技术相比，本发明具有如下的优势：本发明所提出的方案能够实现优于双目视觉的测量精度、少于单目相机绕行法和基于多目视觉方法的立体视觉导航系统所需的燃料消耗，而且设备占用空间小、工作模式简单、质量轻。

附图说明

图1是本发明实际应用场景的示意图；

图2是本发明的光场单相机的封装示意图；

图3是本发明实施的流程图；