[发明专利]基于多源信息融合的非合作目标相对导航运动估计方法及系统

说明书

一种基于多源信息融合的非合作目标相对导航运动估计方法及系统，首先给出激光与视觉测量系统的联合标定方法，进而基于联合标定后的测量系统获取激光扫描点云在相机坐标系的重投影信心，采用两次插值方法分别获取目标点的深度补偿信息和补偿后的深度信息，实现激光扫描点云与视觉相机图像的信息融合，最后在融合信息基础上获取目标的运动估计。本专利给出了视觉相机与激光扫描的信息融合方法，能够通过激光扫描点云的高精度深度信息弥补视觉图像在深度方向精度差的不足，同时又避免了激光扫描分辨率低的缺点，兼具了激光扫描深度信息精度高与视觉测量系统的图像分辨率高的优点；同时，信息融合的插值计算方法为简单的代数运算，易于工程实现与应用。

技术领域

本发明涉及一种基于多源信息融合的非合作目标相对导航运动估计方法及系统，属于导航运动估计技术领域。

背景技术

近年来，伴随着空间技术的快速发展，面向各种任务要求的航天器相继被送上太空，其可靠性和安全性也越来越受到重视。如今，在轨服务已逐渐成为延长航天器使用寿命、完成航天器设备升级以及清理太空垃圾的重要手段，也是今后进行空间探索亟待解决的重要课题，尤其是近些年发展起来的非合作航天器在轨服务技术有着广阔的应用前景。

非合作航天器在轨服务技术首先需要解决的问题就是非合作目标的近距离相对导航问题，在轨服务航天器近距离接近段，需要凭借相对导航系统全面检测和估计相对运动状态。相比于合作目标，非合作目标缺乏先验知识、不能安装人工标记、信息获取途径少，且无法进行航天器间的通信，只能利用摄像机和激光雷达等传感器获取有效信息。目前空间非合作目标相对导航运动估计的方法主要通过视觉图像或激光点云获取目标特征点的三维坐标，进而开展目标的运动估计。但是，视觉摄像与激光扫描又具有不同的特点与优势，视觉相机相比于激光扫描仪可以获得丰富的色彩、纹理、形状等场景信息，便于进行图像处理操作，且可以进行三维重构。激光扫描仪与视觉相机相比具有更高精度的深度信息，视场范围大，数据处理简单等优势，然而其只能获得离散的点云数据。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种基于多源信息融合的非合作目标相对导航运动估计方法及系统。通过对视觉-激光测量系统进行联合标定后，获取视觉摄像的图像信息与三维激光扫面的点云信息，进行图像信息与点云信息融合，用于最终实现目标运动估计。

本发明解决的技术方案为：一种基于多源信息融合的非合作目标相对导航运动估计方法，步骤如下：

(1)建立双目视觉相机与三维激光扫描仪的联合标定模型；

(2)采用双目视觉相机与三维激光扫描仪的联合标定模型，将激光扫描仪坐标系下的点集转换成相机坐标系下，构造两组点集匹配的误差函数，采用ICP算法优化两组点集匹配的误差函数，实现双目相机与三维激光扫描仪联合标定；

(3)目标双目视觉相机拍摄非合作目标，在步骤(2)双目视觉相机与三维激光扫描仪联合标定得到的最优的外参数下，获取目标双目视觉相机拍摄的图像坐标与激光扫描目标形成的点云在相机坐标系下坐标；采用插值法，完成目标双目视觉相机拍摄图像与激光扫描仪扫描点云的信息融合所需的深度补偿初值；

(4)对步骤(3)的深度补偿初值进一步采用插值法，完成视觉图像的像素点的深度补偿。

(5)通过步骤(4)的结果，估计非合作目标的转动情况。

步骤(1)建立双目视觉-三维激光扫描测量系统的联合标定模型，具体步骤如下：