[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

说明书

本发明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，建立气囊坐标系、吊舱坐标系、单目相机测量系统坐标系及各坐标系间的关系，单目相机采集图像并传至嵌入式处理器处理，提取合作标识的图像中心位置并将其与气囊坐标系下的合作标识坐标相对应，计算出气囊坐标系相对单目相机测量系统坐标系的相对位姿，通过吊舱坐标系和单目相机测量系统坐标系间的转换关系得到气囊坐标系相对吊舱坐标系的相对位姿。本发明提供的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，基于照明反光的特征合作标识、单目相机及机载嵌入式处理器有效实现临近空间飞行器在飞行过程中气囊和吊舱的相对位姿测量，满足轻量化、低功耗需求，对保障飞行安全、控制飞行运动具有重要意义。

技术领域

本发明属于临近空间飞行器技术领域，具体涉及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。

背景技术

通常将高度在20～100km的空域称为临近空间，其作为一个新的空域，上可制天，下可制空、制海、制地，将成为未来研究和应用的热点。临近空间飞行器主要由充满氮气的气囊和装载设备的吊舱组成且二者通过缆绳连接在一起，主要用于地面和空间探测，在飞行中实时测量两者之间的相对位姿关系对于保障飞行安全、控制飞行运动具有重要的现实意义。

但是，关于临近空间飞行器的气囊和吊舱相对位姿的测量方法还没有相关报道公开，目前的位姿测量方法主要使用惯导方法和全球定位系统方法，只能对气囊和吊舱的位置姿态进行独立测量，无法获取气囊和吊舱之间的相对位姿。视觉测量以其测量范围大、测量过程非接触等优势，在测量领域具有不可替代的地位。因此，基于视觉的位姿测量技术是解决此类问题的一项重要关键技术。

临近空间飞行器的相对位姿测量旨在实现飞行过程中其气囊相对吊舱的位置姿态的高精度实时测量。临近空间飞行器体积大，相机测量视场大且测量视场朝上，实现各测量系统之间关系的标定是个重要难题。再者，测量系统面临着复杂的成像条件，一是由于对天观测，易受太阳干扰；二是从地面到最高空位置成像条件变化剧烈，靠近地面有大地反光和空气折射，空间亮度均匀，往上至最高空则空气稀薄，导致背光和逆光成像差异巨大，而被测的气囊表面缺乏明显特征，在复杂的成像条件下难以从气囊表面提取特征进行计算。而且，测量系统需安装于吊舱内作为机载设备，这对测量系统的轻量化、低功耗提出了较高要求。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供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。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法，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。

进一步的，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。