正交分光成像大范围快速高精度位姿测量新方法

The pose measurement for fast moving object in space, especially in the aerospace field, such as automatic refueling in unmanned aerial vehicle (UAV), pilot helmet positioning, spacecraft docking, vehicke wheel alignment and so on, needs rapid response with wide range and high accuracy. Pose measurement method based on computer vision is the most commonly used method now. But there are contradictions between the measurement accuracy and measurement speed in the existing pose measurement method base on monocular or binocular vision and multi-linear CCDs. A new pose measurement method based on orthogonal beam splitting imaging is proposed to realize the high-speed and high-precision pose measurement with a wide space range. The sensing with two linear CCDs, the design and development of the pose measurement sensor with orthogonal beam splitting imaging system,and the research for the mathematical model of the pose measurement and the calibration method for corresponding model parameters are used to achieve high-speed and high-resolution acquisition of the spatial feature points. Considering the accuracy and the speed of the pose measuement, the most reasonable layout form of positioning feature points and the corresponding solving method of the object pose will be studied. The experimental system based on the pose measurement sensor with orthogonal beam splitting imaging system will be built to validate the method，the theory and the key technologies of this measurement. The achievement of this subject affords methods and theoretical basis for high-speed and high-precision pose measurement with a wide space range.

实现空间快速运动目标大范围、快速、高精度位姿测量在航空航天、汽车等领域具有重要意义，如无人机自动加油和自动着舰、飞行员头盔定位、飞船对接以及车轮定位等。视觉空间位姿测量方法是目前最常用的方法，但现有的单目或双目位姿测量和多线阵CCD位姿测量技术，存在测量精度与测量范围、测量速度之间的矛盾。本课题提出一种基于正交分光成像传感器的位姿测量新方法，实现空间目标大范围快速高精度位姿测量。采用双线阵CCD探测技术，设计并研制正交分光成像位姿传感器，研究位姿测量数学模型及其相应的标定方法，实现对空间定位特征点的高速高分辨率采集。综合考虑位姿测量过程中计算速度和测量精度，研究最合理的空间位姿测量特征点布局形式和相应的位姿求解方法。搭建基于正交分光成像位姿传感器的测量实验系统，对正交分光成像位姿测量的方法、理论和关键技术进行实验验证。课题研究成果为空间目标大范围、快速、高精度位姿测量提供方法和理论基础。

空间快速运动目标大范围、快速、高精度位姿测量在无人机自动加油、舰船定位及飞行员头盔定位等方面具有重要应用价值。本课题提出一种基于正交分光成像传感器的位姿测量新方法，充分利用单目视觉视场大与线阵CCD的分辨率高和采集速度快的优点，将面阵CCD像素平方级的数据量降低为双正交线阵CCD像素求和级，实现空间目标大范围快速高精度位姿测量。主要研究内容有：. 1）提出了一种正交分光成像大范围快速高精度位姿测量方法，设计了相应的正交分光位姿传感器，建立了柱面镜成像畸变模型，评价了传感器成像效果；. 2）基于正交分光成像位姿传感器组建了位姿测量实验系统，建立了测量系统数学模型，研究了测量系统参数的标定方法；. 3）研究了空间物体标识点正交分光成像位姿测量算法。基于平行线间的仿射不变特性和结合空间特征点之间的距离、角度和共面约束，研究了空间物体姿态的快速迭代求解算法；提出了一种基于光线追迹的位姿解算算法，利用4条入射光线上的4个非共面特征点之间的空间位置关系，以距离、非共面直线和共面直线夹角、混合积等为约束建立最优化目标函数，对特征点坐标进行迭代求解；提出了一种基于平行透视投影模型的多特征点匹配位姿测量算法，实现大范围空间目标位姿的高精度测量；. 4）分析了正交分光成像位姿测量系统误差源，研究了误差校正方法。采用蒙特卡洛误差分析法对测量系统的误差来源进行了数值分析，结果表明成像质量、定位标识点的空间坐标和摄像机成像模型为视觉位姿测量的主要误差源。提出了一种基于角度约束的位姿测量误差校准算法，提高了位姿测量精度；. 5）探讨了运动载体视觉与IMU融合的位姿测量方法。将惯性测量输出频率高、不受空间范围限制、不受测量距离约束、不存在视线遮挡等优点和视觉测量精度高、重复性好的优点相结合，实现快速、高精度的姿态测量。