[发明专利]基于全光场相机的非合作目标位姿测量

摘要

本发明公开了一种基于全光场相机的非合作目标位姿测量方法，是应用于包含星箭对接环的非合作目标；含星箭对接环在非合作目标上为圆特征；其特征是按如下步骤行：步骤1.利用全光场相机获取具有圆特征的非合作目标的光场图像；步骤2.计算圆特征在全光场相机主透镜坐标系下的平面法向量和圆心坐标；步骤3.剔除虚假解；步骤4.获得所述非合作目标的位姿。本发明能有效剔除基于圆的单目视觉位姿估计中的虚假解，获得满足精度要求的非合作目标位姿信息。

主权项

一种基于全光场相机的非合作目标位姿测量方法，是应用于包含星箭对接环的非合作目标；所述含星箭对接环在所述非合作目标上为圆特征；其特征是按如下步骤行：步骤1、利用全光场相机获取具有圆特征的非合作目标的光场图像；所述全光场相机的结构包括：主透镜、微透镜阵列和传感器；步骤2、计算所述圆特征在全光场相机主透镜坐标系o‑xyz下的平面法向量和圆心坐标：步骤2.1、利用时域重聚焦算法对所述光场图像进行计算获得主透镜重聚焦目标图像；步骤2.2、对所述主透镜重聚焦目标图像利用canny边缘检测算法进行边缘检测，获得边缘图像，并对所述边缘图像利用最小二乘法进行椭圆检测，从而获得如式(1)所示的椭圆方程：a₁u²+a₂v²+a₃uv+a₄u+a₅v+a₆＝0          (1)式(1)中，(u,v)为所述圆特征在所述主透镜重聚焦目标图像的像素坐标系O_I‑UV中的坐标；步骤2.3、利用式(2)所示的相机投影模型，将所述椭圆方程反向投影到所述全光场相机主透镜坐标系o‑xyz下，从而获得如式(3)所述的椭圆锥方程：$\left\{\begin{array}{c}{x}_n=\frac{f_{0}x}{z}\\ y_n=\frac{f_{0}y}{z}\end{array}\right.---\left(2\right)$A₁x²+A₂y²+A₃z²+A₄xy+A₅xz+A₆yz＝0           (3)式(2)和式(3)中，(x_n,y_n)为所述圆特征在所述主透镜重聚焦目标图像的物理坐标系O_i‑x_ny_n中的坐标，f₀为所述全光场相机主透镜的焦距，(x,y,z)为所述圆特征在所述全光场相机主透镜坐标系o‑xyz下的坐标；步骤2.4、利用式(4)将所述椭圆锥方程转换为矩阵乘积形式：[x y z]Q[x y z]^T＝0        (4)式(4)中,Q为对称矩阵；步骤2.5、利用式(5)将所述对称矩阵Q进行对角化：P^‑1QP＝diag{K₁,K₂,K₃}        (5)式(5)，P为正交矩阵；K₁、K₂和K₃为所述对称矩阵Q的特征值；步骤2.6、利用式(6)将所述椭圆锥方程进行简化，获得如式(7)所示的标准坐标系o‑x'y'z'下的椭圆锥方程：[x y z]^T＝P[x' y' z']^T         (6)K₁x^'2+K₂y^'2+K₃z^'2＝0(7)式(6)中，(x',y',z')为所述圆特征在标准坐标系o‑x'y'z'下的坐标；步骤2.7、利用所述对称矩阵Q的特征值K₁、K₂和K₃获得如式(8)所示的与所述标准坐标系下y'轴相互平行的平面方程：$z^{\′}=\±\sqrt{\frac{\left|K_1\right|-\left|k_2\right|}{\left|K_2\right|+\left|K_3\right|}}{x}^{\′}---\left(8\right)$步骤2.8、根据所述平面方程分别获得所述圆特征在标准坐标系o‑x'y'z'下的平面法向量(n'_x,n'_y,n'_z)以及圆心点坐标(x_o',y_o',z_o')的一组歧义解：解1'：$\left\{\begin{array}{c}(n_x^{\′},n_y^{\′},n_z^{\′})=(\sqrt{\frac{\left|K_1\right|-\left|K_2\right|}{\left|K_1\right|+\left|K_3\right|}},0,-\sqrt{\frac{\left|K_2\right|+\left|K_3\right|}{\left|K_1\right|+\left|K_3\right|}})\\ ({x_o}^{\′},{y_o}^{\′},{z_o}^{\′})=(R\sqrt{\frac{\left|K_3\right|\left(\right|K_1|-|K_2\left|\right)}{\left|K_1\right|\left(\right|K_1|+|K_3\left|\right)}},0,R\sqrt{\frac{\left|K_1\right|\left(\right|K_2|+|K_3\left|\right)}{\left|K_3\right|\left(\right|K_1|+|K_3\left|\right)}})\end{array}\right.---\left(9\right)$解2'：$\left\{\begin{array}{c}(n_x^{\′},n_y^{\′},n_z^{\′})=(-\sqrt{\frac{\left|K_1\right|-\left|K_2\right|}{\left|K_1\right|+\left|K_3\right|}},0,-\sqrt{\frac{\left|K_2\right|+\left|K_3\right|}{\left|K_1\right|+\left|K_3\right|}})\\ ({x_o}^{\′},{y_o}^{\′},{z_o}^{\′})=(-R\sqrt{\frac{\left|K_3\right|\left(\right|K_1|-|K_2\left|\right)}{\left|K_1\right|\left(\right|K_1|+|K_3\left|\right)}},0,R\sqrt{\frac{\left|K_1\right|\left(\right|K_2|+|K_3\left|\right)}{\left|K_3\right|\left(\right|K_1|+|K_3\left|\right)}})\end{array}\right.---\left(10\right)$式(9)和式(10)中，R为所述圆特征的半径；步骤2.9、利用式(11)和式(12)将所述解1'和解2'分别转换到所述全光场相机主透镜坐标系o‑xyz下，获得所述全光场相机主透镜坐标系o‑xyz下的平面法向量(n_x,n_y,n_z)以及圆心点坐标(x_o,y_o,z_o)：解1：$\left\{\begin{array}{c}(n_x,n_y,n_z)=P(\sqrt{\frac{\left|K_1\right|-\left|K_2\right|}{\left|K_1\right|+\left|K_3\right|}},0,-\sqrt{\frac{\left|K_2\right|+\left|K_3\right|}{\left|K_1\right|+\left|K_3\right|}})\\ (x_o,y_o,z_o)=P(R\sqrt{\frac{\left|K_3\right|\left(\right|K_1|-|K_2\left|\right)}{\left|K_1\right|\left(\right|K_1|+|K_3\left|\right)}},0,R\sqrt{\frac{\left|K_1\right|\left(\right|K_2|+|K_3\left|\right)}{\left|K_3\right|\left(\right|K_1|+|K_3\left|\right)}})\end{array}\right.---\left(11\right)$解2：$\left\{\begin{array}{c}(n_x,n_y,n_z)=P(-\sqrt{\frac{\left|K_1\right|-\left|K_2\right|}{\left|K_1\right|+\left|K_3\right|}},0,-\sqrt{\frac{\left|K_2\right|+\left|K_3\right|}{\left|K_1\right|+\left|K_3\right|}})\\ (x_o,y_o,z_o)=P(-R\sqrt{\frac{\left|K_3\right|\left(\right|K_1|-|K_2\left|\right)}{\left|K_1\right|\left(\right|K_1|+|K_3\left|\right)}},0,R\sqrt{\frac{\left|K_1\right|\left(\right|K_2|+|K_3\left|\right)}{\left|K_3\right|\left(\right|K_1|+|K_3\left|\right)}})\end{array}\right.---\left(12\right)$步骤3、剔除虚假解：步骤3.1、利用所述全光场相机的深度重构法获得所述非合作目标上各点的深度；步骤3.2、利用式(2)获得所述圆特征上各点在所述全光场相机主透镜坐标系o‑xyz下的三维坐标(x,y,z)；步骤3.3、利用式(13)所示的圆特征的平面方程建立如式(14)所示的目标函数f：(n_x,n_y,n_z)^T[(x,y,z)‑(x_o,y_o,z_o)]＝0           (13)f＝(n_x,n_y,n_z)^T[(x,y,z)‑(x_o,y_o,z_o)]        (14)步骤3.4、将所述解1和解2分别代入(14)，获得f_解1和f_解2；若f_解1＜f_解2成立，则所述圆特征的圆心坐标和法向量的虚假解为解2；正确解为解1；否则，圆特征的圆心坐标和法向量的虚假解为解1；正确解为解2；步骤4、获得所述非合作目标的位姿：步骤4.1、根据所述步骤3获得的正确解，则非合作目标本体坐标系O₀‑X₀Y₀Z₀相对于所述全光场相机主透镜坐标系o‑xyz的平移向量为T＝(x_o,y_o,z_o)，通过式(15)获得所述非合作目标本体坐标系O₀‑X₀Y₀Z₀相对于所述全光场相机主透镜坐标系o‑xyz的距离D：$D=\sqrt{x_o^2+y_o^2+z_o^2}---\left(15\right)$式(15)中，所述x_o,y_o,z_o分别为所述非合作目标本体坐标系O₀‑X₀Y₀Z₀相对于所述全光场相机主透镜坐标系o‑xyz在x轴、y轴、z轴上的平移量；步骤4.2、利用式(16)获得俯仰角φ和偏航角θ：$\begin{array}{c}\mathrm{\φ}=\mathrm{\α}\mathrm{rc}\tan \frac{n_z}{\sqrt{n_x^2+n_y^2}}\\ \mathrm{\θ}=\mathrm{\α}\mathrm{rc}\tan \frac{n_y}{n_x}\end{array}---\left(16\right)$所述距离D、俯仰角φ和偏航角θ即为所述非合作目标的位姿。