双目CCD光电成像测量系统研究

论文摘要

本文以航天空间交会对接应用为目标,研究对接技术中目标器和追踪器在逼近阶段相对距离和相对姿态的实时测量问题。文中首先介绍了交会对接测量技术的发展趋势,比较各种技术的特点。接着详细地阐述了CCD光电成像测量系统的双目测量工作模式来完成光学测量的原理,从理论上给出求解方法的证明过程,然后根据立体透视投影模型原理推导了目标器相对位置、相对姿态的求解方法。在讨论位置、姿态测量中涉及到的求解投影矩阵问题上,论文定义了追踪器上的三种坐标系和目标器上的二种坐标系以及坐标系之间的转换关系,然后由摄像机内、外部参数推导出了投影矩阵。求解投影矩阵必须先进行摄像机标定,因此先分析对比了各种摄像机标定技术的优劣后,对选取的Tsai摄像机标定方法,先透彻讲述了其算法核心及标定过程,接着在不同距离进行多次标定,得出摄像机内外部参数。利用图像采集卡提供的SDK编制了图像采集以及图像预处理功能的实用程序,再运用模式识别中对特征区域的聚类分析标记了摄像机模板图像和目标器图像特征区域,从而来获得图像的有效信息为位姿计算提供了数据。而后利用C++语言程序实现了双目视觉测量系统的相对位置、姿态测量的算法仿真。最后,先对成像测量系统进行精度分析,得出了在建立整个视觉系统中必须注意的影响元素之后,在原有目标器测量实验平台的基础上,对整个实验系统样机化,建立原理样机,并通过样机在不同的距离进行多次测量,得出比较准确的结果,验证了整个思路的可行性。实验证明该方法能够达到测量目的,满足了将双目视觉原理应用到空间对接中测量的预期想法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 交会对接测量技术发展趋势
• 1.3 论文主要研究内容
• 2 双目视觉测量的技术基础
• 2.1 测量信号流程
• 2.2 从三维景物到二维图像的变换原理
• 2.3 双目立体视觉原理
• 2.3.1 平视双目立体视觉三维测量原理
• 2.3.2 双目立体视觉数学模型
• 2.4 双目视觉测量涉及的坐标系及坐标转换
• 2.4.1 追踪器上的坐标器
• 2.4.2 本体坐标系与摄像机坐标系的变换
• 2.4.3 摄像机坐标系与图像坐标系的变换
• 2.4.4 图像像素坐标系到图像物理坐标系的转换
• 2.4.5 目标器坐标系
• 2.4.6 追踪器和目标器的坐标系及其转换
• 2.5 参考坐标系空间点的位置求解
• 2.6 目标器距离和位置姿态求解
• 2.6.1 相对距离测量
• 2.6.2 相对姿态测量
• 2.6.3 姿态动力学
• 2.7 双目测量系统的模块图及工作流程
• 2.8 本章小结
• 3 摄像机标定
• 3.1 摄像机模型参数
• 3.2 标定技术理论研究
• 3.2.1 标定技术概述
• 3.2.2 双目视觉标定
• 3.2.3 标定几何关系
• 3.2.4 摄像机内外部参数计算
• 3.3 本实验中的摄像机标定
• 3.3.1 摄像机初始参数设置
• 3.3.2 摄像机标定模板设计
• 3.3.3 标定输入输出数据
• 3.4 本章小结
• 4 双目测量系统软件设计
• 4.1 图像采集
• 4.2 图像处理
• 4.2.1 滤波处理
• 4.2.2 二值化处理
• 4.3 特征点提取及中心定位
• 4.3.1 图像的标识及特征提取
• 4.3.2 质心法确定特征点中心
• 4.4 对应点特征匹配
• 4.4.1 图像匹配的常用方法
• 4.4.2 双目立体视觉中的图像匹配
• 4.5 目标器位置姿态求解
• 4.6 本章小结
• 5 实验及数据处理
• 5.1 成像测量系统精度分析
• 5.1.1 图像识别误差对系统测量精度的影响
• 5.1.2 系统结构参数对系统测量精度的影响
• 5.2 原理样机设计
• 5.2.1 系统结构设计图
• 5.2.2 原理样机
• 5.3 实验器材
• 5.3.1 V3A图像采集卡
• 5.3.2 MINTRON CCD摄像机
• 5.3.3 RICOM CCTV LENS:
• 5.3.4 仿真目标器
• 5.4 数据记录
• 5.4.1 摄像机标定流程
• 5.4.2 目标器图像处理流程
• 5.4.3 目标器位置姿态测量
• 5.5 误差分析
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献