基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统及方法.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CN108225319A(43)申请公布日2018.06.29(21)申请号201711242992.9(22)申请日2017.11.30(71)申请人上海航天控制技术研究所地址201109上海市闵行区中春路1555号(72)发明人曹姝清卢山刘宗明张翰墨范维斯(74)专利代理机构中国航天科技专利中心11009代理人任林冲(51)Int.Cl.G01C21/20(2006.01)G01C21/24(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图1页(54)发明名称基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统及方法(57)摘要本发明涉及一种基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统及方法，包括：目标图像预处理单元，用于去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域；目标快速特征检测及提取单元，用于完成局部轮廓和对接圆面特征的检测提取；目标位置和姿态估计单元，用于分别根据提取的对接圆面和轮廓特征完成目标位置和姿态粗值的估计，并采用优化算法实现最终目标位置和姿态的实时获取。本发明具有实时性好、鲁棒性强及测量精度高等优点，为后续空间在轨操控任务的顺利实施提供位姿信息支持。CN108225319ACN108225319A权利要求书1/2页1.基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统，其特征在于，包括目标图像预处理单元、目标快速特征检测及提取单元、目标位置和姿态估计单元，目标图像预处理单元去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域；目标快速特征检测及提取单元，用于完成局部轮廓特征和对接圆面特征的检测提取，首先对初始帧目标区域局部小窗边缘轮廓特征进行检测及提取，其次根据初始帧得到的目标轮廓信息，从第二帧开始，结合目标运动变化特性，利用前一帧图像的轮廓信息确定目标在当前帧图像中的位置，并基于当前窗口目标本体区域中的四方向条带状区域完成当前帧目标轮廓特征的检测及提取；最后根据当前帧目标轮廓确定的区域进行边缘检测，以较长圆弧边缘且与区域中心平均欧式距离最小为约束条件完成当前帧目标区域对接圆面特征的检测，并采用基于几何距离的最小二乘椭圆拟合算法完成对接圆面特征的提取；目标位置和姿态估计单元，用于分别根据提取的对接圆面和轮廓特征完成目标位置和姿态粗值的估计，并采用优化算法实现最终目标位置和姿态的实时获取，首先基于轮廓特征获得的特征点完成目标三个姿态的初值的解算，其次利用给定空间对接环的半径和相机内参，完成空间对接环法向量和圆心坐标的求解，并基于轮廓特征求解的目标法向量去除解的二义性，完成目标三个位置的初值的解算；最后以特征点的重投影误差为目标函数，优化位置和姿态初值，获得精确的相对位姿估计信息。2.如权利要求1所述的基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统，其特征在于，目标图像预处理单元去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域的方法为：对实时获取的图像采用自适应阈值分割法确定目标的大致位置，完成图像背景噪声的去除；然后采用形态学先开后闭的运算方法优化目标定位粗值，完成目标所在局部区域的准确定位。3.如权利要求1所述的基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统，其特征在于，对初始帧目标区域局部小窗边缘轮廓特征进行检测及提取的方法为：以目标预处理定位得到的目标局部区域图作为参考，框选一个略大于该区域的矩形区域作为轮廓检测的初始窗口，结合目标本体轮廓的四边形形状，选取该初始窗口目标本体区域中能够完全包含待提取轮廓边缘特征的四方向条带状区域完成初始帧目标轮廓的检测及提取。4.如权利要求1所述的基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计系统，其特征在于，基于轮廓特征获得的特征点完成目标三个姿态的初值的解算的方法为：根据当前帧目标四边形轮廓特征得到四条轮廓线的交点，通过本体的两条对角线交点获得本体中心点，利用交比不变原理，在对角线上插值出N个特征点，N＝2n+1，其中n为轮廓边的条数，结合目标实际三维尺寸信息，完成目标三个姿态的初值的解算。5.基于目标特征的单目视觉快速相对位姿估计方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)去除背景中的噪声，定位目标所在局部区域；(2)以目标预处理定位得到的目标局部区域图作为参考，框选一个略大于该区域的矩形区域作为轮廓检测的初始窗口，结合目标本体轮廓的四边形形状，选取该初始窗口目标本体区域中能够完全包含待提取轮廓边缘特征的四方向条带状区域完成初始帧目标轮廓的检测及提取；(3)根据初始帧得到的目标轮廓信息，从第二帧开始，结合目标运动变化特性，利用前一帧图像的轮廓信息搜索估计确定目标在当前帧图像中的位置，并基于当前窗口目标本体区域中的四方向条带状区域完成当前帧目标轮廓特征的检测及提取；2CN108225319A权利要求书2/2页(4)根据当前帧目标轮廓确定的区域进行边缘检测，以较长圆弧