[发明专利]一种基于特征反向投影的自主空中加油锥套位姿解算方法

说明书

一种基于特征反向投影的自主空中加油锥套位姿解算方法，步骤包括：(1)获取锥套目标图像；(2)提取图像中锥套目标结构特征；(3)特征空间反向投影；(4)基于锥套结构约束解算位姿；该方法以单目视觉图像为基础运用图像识别手段精确提取锥套结构特征，以二维图像结构特征为基础进行空间反向投影，结合锥套目标的结构约束解算锥套相对位姿，提高了自主空中加油锥套目标单目视觉位姿测量精度。

技术领域

本发明涉及一种单目视觉相对位姿测量方法，尤其涉及一种基于特征反向投影的自主空中加油锥套位姿解算方法。

背景技术

基于视觉的目标位置和姿态测量是在航空目标测量、工业自动化生成、自动驾驶等方面的具有广泛的应用。特别在自主空中加油领域中，加油锥套相对于受油机探管之间的相对位姿精确测量是自主空中加油任务成功的首要条件。

自主空中加油锥套相对位姿的视觉测量分为合作目标和非合作目标两种类型，合作目标测量在自主空中加油视觉测量技术中，通过在锥套目标上安装发光二极管(LightEmitting Diodes LED)或对锥套进行着色处理构建特征进行相对位姿测量，这种测量方式需要对目标进行改装来实现。非合作目标测量则通过分析目标具有的不变性特征进行相对位姿测量，目前已采用过的特征有特征点、特征线、特征圆等多种几何特征。通过对特征进行识别提取，从而利用提取特征构建约束关系解算处目标的相对位姿。

根据Carol Martinez等人的《Avision-based strategy for autonomous aerialrefueling tasks》(参见《Robotics andAutonomous Systems》2013年,61(8):876-895)，采用了锥套底面圆成像大小的最小包围矩形框的四个角点作为特征点构建单应性矩阵解算锥套的相对位置，但未涉及锥套结构特征反向投影解算位姿。根据马跃博的《基于卷积神经网络的自主空中加油识别测量技术研究》(参见2020年硕博论文库)，采用了锥套的底面圆投影椭圆反向建立了空间旋转曲面求解锥套的相对位姿，但未涉及锥套结构特征点的反向投影、底面圆半径约束、中心位置约束和迭代优化位姿解算。专利CN202010065420.3中提出了一种基于可变视场角的加油锥套位姿精确测量方法，将双目相机左右图像的标志灯进行匹配，获得标志灯在左相机坐标系下的空间坐标，计算输出锥套的位姿信息，未涉及锥套结构特征的单目视觉相对位姿测量。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种基于特征反向投影的自主空中加油锥套位姿解算方法，用于与自主空中加油中锥套类似的锥台构型目标的单目视觉位姿测量。该方法利用锥台在位姿变化时保持不变的结构特征进行反向特征投影，通过结构约束关系构建目标函数并进行迭代解算位姿。通过迭代优化目标函数，有效利用了锥套结构底面圆约束和中心位置关系的不变性特征，从而提高了位姿解算精度。

本发明技术方案如下：

一种基于特征反向投影的自主空中加油锥套位姿解算方法，该方法包括如下步骤：

步骤(1)：对锥套目标进行成像，并获取目标图像；

所述锥套目标具有锥台构型，该锥台构型的上下平行的两个端面分别为圆面和圆环，即顶面圆和底面圆，已知该两个端面的圆的半径和中心所在目标坐标系中的三维坐标，根据中心坐标和半径获取锥套的结构特征参数如下：

p_cb＝(x_cb,y_cb,z_cb)z_cb＝0

p_ct＝(0,0,d)