一种空间非合作目标精确位姿测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113674353A(43)申请公布日2021.11.19(21)申请号202110948038.1(22)申请日2021.08.18(71)申请人中国人民解放军国防科技大学地址410000湖南省长沙市开福区东风路街道徳雅路109号(72)发明人刘海波刘子宾宋俊尧张进(74)专利代理机构长沙中科启明知识产权代理事务所(普通合伙)43226代理人谭勇(51)Int.Cl.G06T7/73(2017.01)G06T3/00(2006.01)G06T7/60(2017.01)G06T7/80(2017.01)权利要求书2页说明书5页附图1页(54)发明名称一种空间非合作目标精确位姿测量方法(57)摘要本发明涉及一种空间非合作目标精确位姿测量方法，其包括利用TOF相机和彩色相机实现空间非合作的精确相对位姿估计：利用TOF获取空间非合作目标的三维点云，根据ICP算法拼接得到空间非合作目标的完整三维点云；从空间非合作目标完整的三维点云中提取三维特征点、三维直线；利用彩色相机获取空间非合作目标的序列二维图像，从中提取出二维特征点、二维直线，根据2D‑3D特征点、直线对应关系求解空间非合作目标的相对位姿。本发明结合TOF相机、彩色相机的成像优势，能够精确求解空间非合作目标的位姿，可应用于深空探测和态势感知等空间任务中。CN113674353ACN113674353A权利要求书1/2页1.一种空间非合作目标精确位姿测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，利用TOF相机获取空间非合作目标的完整三维点云；步骤2，从获取的空间非合作目标的完整三维点云中提取三维特征点、三维直线；步骤3，利用彩色相机对运动中的空间非合作目标进行图像数据采集，得到空间非合作目标的序列二维图像；步骤4，从得到的序列二维图像中提取空间非合作目标的二维特征点、二维直线；步骤5，根据求解的2D‑3D特征点、直线分别进行匹配，利用对应关系求解空间非合作目标的位姿参数。2.根据权利要求1所述的一种空间非合作目标精确位姿测量方法，其特征在于，所述步骤5具体为：步骤5.1，对彩色相机进行标定，获取彩色相机的等效焦距fx,fy；步骤5.2，假设空间非合作目标的位姿初值已知，根据位姿初值将三维直线投影到二维平面上，与提取的空间非合作目标二维直线进行匹配，三维直线端点P与投影点p＝(px,py)的关系可以描述为：其中，用旋转矩阵R和平移向量t描述目标的位姿，即从世界坐标系到相机坐标系的刚性变换，三维直线方程可以用极坐标表示为：pxcosθ+pysinθ‑ρd＝0(2)步骤5.3，计算三维直线端点到二维直线的距离，联合等式(8)和(9)得到：TN＝(fxcosθ,fysinθ,‑ρd)(4)其中N是投影平面的法向量，三维直线端点投影到对应平面与二维直线的距离d表示为：步骤5.4，2D‑3D直线对对应的距离表示为其中，dl1,dl2分别表示从三维直线投影到平面的两个端点p1,p2到二维直线的距离；步骤5.5，根据位姿初值将三维特征点投影到二维平面上，设三维特征点和投影到平面的二维特征点分别表示为Q，q＝[qx,qy]，二者之间的投影关系可以表示为：步骤5.6，将三维特征点投影到二维平面上，与图像上对应的二维特征点q′＝[q′x,q′y]进行匹配，设投影点与二维特征点的距离表示为dq：2CN113674353A权利要求书2/2页步骤5.7，将空间非合作目标的特征点、直线特征全部投影到二维平面上，设第i对2D‑3D对应点对距离为共有N对对应点对，设第j对2D‑3D对应直线对距离为共有M对2D‑3D对应直线对，则通过最小化公式16求解目标位姿：通过最小二乘法求解公式(16)，以求解空间非合作目标的位姿：旋转矩阵R和平移向量t。3CN113674353A说明书1/5页一种空间非合作目标精确位姿测量方法技术领域[0001]本发明涉及图像测量领域，具体说是一种空间非合作目标精确位姿测量方法。背景技术[0002]随着科技的进步与航天事业的发展，深空探测、态势感知成为人类探索太空道路上的重要环节。在空间探索中，越来越多的任务对象是空间非合作目标，他们缺乏合作标志，无法提供有效的先验信息。因此，在复杂的太空环境下，完全未知的空间目标的精确位姿估计问题引起学者们的广泛关注，具有重要的研究价值和工程实践意义。[0003]常用的空间目标位姿测量设备包括彩色相机、双目相机、激光雷达等等。彩色相机无法直接获取目标深度信息；双目相机测量精度受基线制约；激光三维成像受工艺水平制约，分辨率不高。因此，使用多传感器融合测量的方法，可以有效地结合各个传感器的成像技术优势，弥补单一传感器的固有缺陷。本发明提出一种基于TOF和彩色相机的空间非合作目标精确位姿