一種應(yīng)用于微重力環(huán)境下的視覺(jué)三自由度定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在微重力環(huán)境下通過(guò)三自由度信息對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在微重力環(huán)境下，可以通過(guò)氣浮平臺(tái)的氣浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)天體中運(yùn)動(dòng)物體的模擬試 驗(yàn)。但是氣浮平臺(tái)在工作臺(tái)面上只能進(jìn)行平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，并且氣浮平臺(tái)與靜止的空間坐標(biāo)系 具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但無(wú)任何接觸，所以系統(tǒng)無(wú)法使用傳統(tǒng)的位移傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣浮平 臺(tái)的三個(gè)自由度的定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種能夠在微重力環(huán)境下對(duì)運(yùn)動(dòng)物體（如氣浮平臺(tái)）進(jìn)行 定位的方法，特別是通過(guò)非接觸式的三自由度信息進(jìn)行定位。
[0004] 本發(fā)明通過(guò)在氣浮平臺(tái)上增加一個(gè)相機(jī)，相機(jī)隨氣浮平臺(tái)在平面上運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)， 通過(guò)捕獲靜止坐標(biāo)系下的三個(gè)發(fā)光物體，獲取三個(gè)發(fā)光體在靜止坐標(biāo)系下的像素，就可以 計(jì)算出當(dāng)前的相機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的平動(dòng)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，進(jìn)一步獲得氣浮平臺(tái)的三自由 度坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了微重力環(huán)境下的非接觸式三自由度定位。
【附圖說(shuō)明】
[0005] 現(xiàn)在將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中：
[0006] 附圖1是相機(jī)獲取圖像的示意圖；
[0007] 附圖2是相機(jī)采集圖像的示意圖；
[0008] 附圖3是圖像采集的平面幾何關(guān)系圖；
[0009] 附圖4是經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的平面幾何關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 本發(fā)明的微重力環(huán)境下的視覺(jué)三自由度定位方法主要分為以下幾個(gè)步驟：
[0011] ⑴選擇相機(jī)
[0012] 首先需要定義兩個(gè)坐標(biāo)系：靜止坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，此處可以設(shè)定地面為靜止 坐標(biāo)系，氣浮平臺(tái)為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。
[0013] 在氣浮平臺(tái)上安裝相機(jī)，捕獲靜止坐標(biāo)系下的物體坐標(biāo)。相機(jī)可以安裝在運(yùn)動(dòng)坐 標(biāo)系下的某個(gè)坐標(biāo)下，隨運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系同時(shí)做平動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如附圖1所示。
[0014] 相機(jī)的選擇需要考慮到以下因素：圖像分辨率決定了畫面的精細(xì)程度。數(shù)據(jù)吞吐 能力必須大于傳輸數(shù)據(jù)量。連續(xù)采集圖像數(shù)據(jù)量由圖像分辨率、像素深度、幀速度決定。
[0015] 例如使用Basler Ace GigE Vision視覺(jué)面掃描相機(jī)，該相機(jī)具有以下特點(diǎn)：可選 擇從VGA到5 MP的分辨率以及C⑶和CMOS傳感器；通過(guò)外部連接器的1個(gè)光學(xué)隔離輸入 和1個(gè)光學(xué)隔離輸出。
[0016] ⑵布置圖像背景
[0017] 在靜止坐標(biāo)系下布置相機(jī)的背景。為了給相機(jī)提供一個(gè)純色的無(wú)干擾的圖像背 景，使用純色的幕布，并在背景中建立三個(gè)發(fā)光圓形燈，提供靜止坐標(biāo)系下的坐標(biāo)參考點(diǎn)。 為方便后續(xù)對(duì)圖像的處理，可選擇圓形燈的色彩與幕布具有較強(qiáng)的色差，比如使用黑色幕 布和白色圓形燈（如附圖2所示），可以為圖像處理提供較好的圖像數(shù)據(jù)。
[0018] (3)相機(jī)采集圖像處理
[0019] 圖像處理部分是指使用軟件技術(shù)，對(duì)相機(jī)獲取的二維圖像進(jìn)行處理，獲取三個(gè)圓 形燈在相機(jī)獲取圖像中的像素點(diǎn)，就可以通過(guò)數(shù)學(xué)三角函數(shù)計(jì)算，求解相機(jī)相對(duì)于靜止的 三個(gè)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，進(jìn)一步可以獲得相機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的三自由度信息。
[0020] 圖像處理方法可以選擇專業(yè)的圖像處理設(shè)備，獲取三個(gè)燈在視野中的像素。例如 圖像處理可以選擇NIEVS實(shí)時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)，該實(shí)時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：實(shí)時(shí)機(jī)器視覺(jué)系 統(tǒng)；高性能、多核處理器，適合快速檢測(cè)；連接多架相機(jī)以實(shí)現(xiàn)同步檢測(cè)。軟件圖像處理選 擇LabView提供的圖像處理專用工具包，對(duì)獲取的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取圖像中的色差 較大的象素點(diǎn)，進(jìn)一步定位圓形燈的圓心反映在相機(jī)圖像中的象素點(diǎn)，作為后續(xù)解算的依 據(jù)。
[0021] (4)計(jì)算平面幾何關(guān)系
[0022] 通過(guò)圖像處理軟件獲取的坐標(biāo)信息，坐標(biāo)的幾何關(guān)系如附圖3所示。經(jīng)簡(jiǎn)化后，可 得到如附圖4所示的平面幾何關(guān)系圖。
[0023] 在坐標(biāo)幾何關(guān)系中，作如下設(shè)定：ZB0C為0，ZAC0為0 ^ZBC0為0 2,Z0CP 為e3,oc邊的長(zhǎng)度為X，A0邊長(zhǎng)為L(zhǎng)pB0邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2,PQ與0B的角度為《，0，X，《均為需 要求解的未知數(shù)。
[0024] 根據(jù)三角函數(shù)正弦定理，對(duì)三角形AC0的兩個(gè)邊長(zhǎng)與角度的關(guān)系列出如下方程：
[0025]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種應(yīng)用于微重力環(huán)境下的三自由度定位方法，包括以下步驟： (1) 設(shè)定地面為靜止坐標(biāo)系，氣浮平臺(tái)為運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，在氣浮平臺(tái)上安裝相機(jī)C，捕獲 靜止坐標(biāo)系下的物體坐標(biāo)； (2) 使用純色的幕布，并在背景中建立三個(gè)發(fā)光圓形燈A、0、B，提供靜止坐標(biāo)系下的坐 標(biāo)參考點(diǎn)； (3) 利用軟件技術(shù)，對(duì)相機(jī)獲取的二維圖像進(jìn)行處理，獲取三個(gè)圓形燈在相機(jī)獲取圖像 中的像素點(diǎn)； (4) 通過(guò)圖像處理軟件獲取的坐標(biāo)信息，獲得坐標(biāo)A、0、B、C的幾何關(guān)系，設(shè)定：ZB0C 為0，ZAC0為0 ^ZBC0為0 2,Z0CP為0 3, 0C邊的長(zhǎng)度為X，A0邊長(zhǎng)為Q，B0邊長(zhǎng)為 L2,PQ與0B的角度為《，0，X，《均為需要求解的未知數(shù)； 根據(jù)三角函數(shù)正弦定理，對(duì)三角形AC0的兩個(gè)邊長(zhǎng)與角度的關(guān)系列出如下方程：
對(duì)三角形BC0兩個(gè)邊長(zhǎng)與角度的關(guān)系列出如下方程：
公式⑴與⑵整理后可以得到
很據(jù)上還公式求鮮用度《的值，開將求鮮出的0代入公式（1)或者（2)，可以求取0C邊長(zhǎng)度X; (5) 以0點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，邊0B作為橫坐標(biāo)，與橫坐標(biāo)垂直方向作為縱坐標(biāo)，建立靜止 坐標(biāo)系，通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算，在靜止坐標(biāo)系下，攝像頭的橫坐標(biāo)M=XXsin( 0 )，縱坐標(biāo)N =-XXcos( 0 ),轉(zhuǎn)動(dòng)量（〇 = 180- 0 3_ 0 .即獲得了相機(jī)在靜止坐標(biāo)系下三自由度定位信 息，即平動(dòng)坐標(biāo)和轉(zhuǎn)動(dòng)信息（M,N, (〇)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于微重力環(huán)境下的三自由度定位方法，其中選擇相 機(jī)時(shí)，圖像分辨率決定畫面的精細(xì)程度，數(shù)據(jù)吞吐能力必須大于傳輸數(shù)據(jù)量，連續(xù)采集圖像 數(shù)據(jù)量由圖像分辨率、像素深度、幀速度決定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于微重力環(huán)境下的三自由度定位方法，其中在靜止 坐標(biāo)系下布置相機(jī)的背景時(shí)，為了給相機(jī)提供一個(gè)純色的無(wú)干擾的圖像背景，使用純色的 幕布，并在背景中建立三個(gè)發(fā)光圓形燈，提供靜止坐標(biāo)系下的坐標(biāo)參考點(diǎn)，此外為方便后續(xù) 對(duì)圖像的處理，可選擇圓形燈的色彩與幕布具有較強(qiáng)的色差，比如使用黑色幕布和白色圓 形燈，可以為圖像處理提供較好的圖像數(shù)據(jù)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于微重力環(huán)境下的視覺(jué)三自由度定位方法，通過(guò)在氣浮平臺(tái)上增加一個(gè)相機(jī)，相機(jī)隨氣浮平臺(tái)在平面上運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，通過(guò)捕獲靜止坐標(biāo)系下的三個(gè)發(fā)光物體，獲取三個(gè)發(fā)光體在靜止坐標(biāo)系下的像素，就可以計(jì)算出當(dāng)前的相機(jī)在靜止坐標(biāo)系下的平動(dòng)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，進(jìn)一步獲得氣浮平臺(tái)的三自由度坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了微重力環(huán)境下的非接觸式三自由度定位。
【IPC分類】G01C11-00
【公開號(hào)】CN104697499
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410438550
【發(fā)明人】王效亮, 涂修佳, 張建國(guó), 許劍, 王燕波, 劉志蕾
【申請(qǐng)人】北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2014年8月29日