[发明专利]面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统及方法

说明书

本发明公开面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统和方法，系统包括相机、视觉标记、电子经纬仪三维测量系统、六自由度数显调整台、LED灯阵列和太阳模拟器；太阳模拟器和LED灯阵列模拟空间光照条件，六自由度数显调整台固定支撑视觉标记，并带动视觉标记进行匀速运动，相机采集视觉标记图像，并输出位姿测量值，电子经纬仪三维测量系统获取相机和视觉标记之间的位姿真值，将测量值与真值进行对比评估相机的位姿测量精度，所述方法涉及：极端光照环境模拟、极限运动状态预估和相机的位姿测量精度评估，本发明系统及方法能够全面模拟评估在轨状态下相机对空间目标的三维姿态测量精度及目标在极限运动状态下相机的鲁棒性。

技术领域

本发明属于光电测量领域，具体涉及一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统及方法。

背景技术

近年来，伴随着人工智能技术的异军突起，以空间机械臂为典型代表的空间机器人已经逐步发展成为航天科技领域不可或缺的重大关键技术之一，尤其是对空间站在轨服务、深空探测等方面具有举足轻重的意义。截止目前，国外成功案例主要有：加拿大航天飞机遥操作机械臂SRMS、加拿大国际空间站遥操作机械臂SSRMS、日本试验卫星机械臂ETS-VII、美国好奇号火星车Curiosity以及NASA舱内空间服务机器人Robonaut2等。上述空间机器人配置可见光视觉测量系统，不仅能够采集工作区域内的图像信息，还能够实时、精确估计空间合作目标的三维位置姿态信息，直接参与整器路径规划及运动控制，形成视觉闭环自主控制回路，显著提高机器人末端执行器的绝对定位精度，确保完成各项精细化操作任务。因此，可见光视觉测量系统的目标位姿测量功能性能及其精度水平是衡量空间机器人精细操作任务成败的关键技术指标。

视觉测量系统主要由相机和视觉标记组成，其核心功能是目标三维位姿测量，通常可利用单目或双目相机实时采集包含上述视觉标记的图像信息，准确估计空间目标的三维位置姿态等信息。目前，对于合作目标三维位姿视觉测量精度评定的理论研究和成果相对成熟。例如，GJB 8538-2015《单(多)目视觉测量系统标定与精度测试方法》从原理上系统阐述了视觉测量系统标定与精度测试方法；T/CIE048-2017《空间机器人可见光位姿测量精度地面试验要求》规定了视觉测量系统开展位姿精度地面试验项目和要求；郝颖明在《基于点特征的位姿测量精度与鲁棒性研究》文献中，针对三点式视觉标记图案设计，以提高单目视觉测量系统的精度为目的开展单目视觉测量鲁棒性研究，基于理论简化条件下的假设前提，推导出测量误差与相机标定误差、目标模型误差、图像坐标检测误差之间的关系表达式，结合一般条件下的误差统计分析，得出上述参数指标对测量结果的影响趋势以及各项因素误差合成等结论。谭启蒙等在《合作目标单目视觉测量误差系统及误差限量化方法》国家发明专利文献中，针对合作目标单目视觉测量，提出了一种误差限量化方法，分层次制定了一系列误差分配策略；王飞等在《一种空间三维视觉技术验证方法》国家发明专利文献中，提出一种空间三维视觉计算验证方法，通过将空间点三维坐标带入位姿数据计算二维图像重投影误差，以此作为位姿精度量化指标。上述研究均是围绕位姿精度关键特性地面常规测试开展，而对于视觉测量系统所处的空间应用场景光照条件复杂性考虑尚处于空白，根本难以保证目标位姿测量功能性能的在轨正确率和成功率，故无法满足面向空间应用的视觉测量系统地面模拟试验的实际需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统及方法，不仅能够量化评估所测目标位姿的测量精度水平能否满足机器人在轨服务的指标需求，还能摸底相机的目标位姿测量功能对目标极限运动状态的适应能力。

实现本发明的技术方案如下：

一种面向空间应用的视觉测量系统地面模拟评估系统，包括相机、视觉标记、电子经纬仪三维测量系统、六自由度数显调整台、LED灯阵列和太阳模拟器；其中，太阳模拟器和LED灯阵列分别用于模拟视觉标记和相机的空间光照条件，六自由度数显调整台固定支撑视觉标记，并带动视觉标记进行匀速运动，相机采集视觉标记图像，并输出视觉标记的位姿测量值，电子经纬仪三维测量系统获取相机和视觉标记之间的位姿真值，将测量值与真值进行对比评估相机的位姿测量精度。