[发明专利]基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法及装置

权利要求书

1.基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、飞行测量启动前，将若干个合作标识合理分布粘贴于气囊底表面，单目相机、照明光源和嵌入式处理器固定于吊舱内，单目相机和照明光源均与嵌入式处理器连接；

b、建立气囊坐标系、吊舱坐标系和单目相机测量系统坐标系，并将各坐标系进行统一，标定得到的各项参数导入嵌入式处理器中，准备测量；

c、启动测量后，嵌入式处理器控制照明光源常亮，单目相机连续采集图像并传送至嵌入式处理器中，嵌入式处理器对得到的图像进行处理，提取合作标识的图像中心位置；

d、嵌入式处理器通过合作标识的空间排布特征将其与气囊坐标系下合作标识的坐标相对应，计算出气囊坐标系相对于单目相机测量系统坐标系的相对位姿，再通过吊舱坐标系和单目相机测量系统坐标系之间的关系，得到气囊坐标系相对吊舱坐标系的相对位置姿态；

e、嵌入式处理器将步骤d所得气囊坐标系相对吊舱坐标系的相对位置姿态结果实时传输给后端控制器；

步骤a中，将黑色吸光布和亮银化纤反光布裁剪制作成X型角点特征作为合作标识，选用六个合作标识作为特征沿气囊骨架粘贴至气囊底面表面；

步骤a中，所述吊舱外壳上表面设计两个开窗，窗口覆盖镀膜玻璃以隔离吊舱内外，单目相机和照明光源分别安装于吊舱内对应的两个窗口处且方向朝上，调整相机和照明光源视角，保证单目相机和照明视场能够覆盖合作标识运动区间，固定好单目相机的位置，保证在飞行运动过程中单目相机位置不发生变动；

步骤b中，气囊坐标系、吊舱坐标系、单目相机测量系统坐标系的建立和标定步骤如下：

(1)单目相机安装前，需在实验室环境下标定好单目相机的内参；

(2)使用全站仪对气囊上设计时用于定义自身坐标系的特征进行测量，建立气囊坐标系；

(3)将气囊坐标系设置为全站仪内置测量坐标系，测量粘贴好的合作标识的坐标，得到所有合作标识在气囊坐标系下的坐标，并对其按规律进行编号；

(4)使用全站仪对吊舱上设计时用于定义自身坐标系的特征进行测量，建立吊舱坐标系；

(5)将靶标放置在固定好的单目相机的视场内，使用固定好的单目相机拍摄靶标上的特征点，在拍摄时，靶标不断变换位置姿态，与此同时将吊舱坐标系设置为全站仪内置测量坐标系，同步测量靶标上的特征点，得到其在吊舱坐标系下的坐标；在靶标上的光刻靶标和特征点关系已知的条件下，即可标定出吊舱坐标系和单目相机测量系统坐标系之间的旋转平移关系；

(6)将标定结果导入嵌入式处理器中；

步骤d中，具体步骤如下：

(1)通过不变的光学特征点空间几何拓扑约束关系，实现气囊合作标识特征点与图像合作标识像素点的匹配，得到对应的单目图像像素坐标和气囊坐标系下的世界坐标；

(2)根据气囊坐标系下各特征点的三维坐标和单目图像中各特征点的二维像素坐标，求解气囊坐标系相对于单目相机测量系统坐标系的位置姿态；

(3)在已知了吊舱坐标系与单目相机测量系统坐标系之间的转换关系的条件下，通过坐标系转换计算得到气囊坐标系相对吊舱坐标系的位置姿态变换关系。