基于基于TOF相机的靶标识别与位姿测量系统设计相机的靶标识别与位姿测量系统设计
设计了以激光为驱动光源的TOF相机嵌入式系统,采集灰度图像和深度图像对合作靶标进行实时检测识别、匹
配,并求出目标物体的位姿信息。所使用的靶标为圆形靶标,采用经典的阈值算法,提取靶标的形心坐标以及
计算圆心率作为靶标识别的条件,使用经典的确定性退火算法完成靶标配,得到两组三维坐标值,利用SVD方
法求解位姿数据。在实验中,利用TOF相机解算的姿态角度精度能够达到0.13°,位置平移精度有0.6%,能够准
确识别靶标并且计算位姿,验证了此TOF相机用于交会对接、SLAM等领域的可行性。
0 引言引言
在航天领域的交会对接以及视觉SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)项目中,都需要利用视觉成像技术来获
取目标物与相机系统的位姿关系,而解算位姿需要得到目标体的特征点与相机系统的距离信息
[1]
。目前,位姿测量时探测系统
与目标物体的距离主要采用双目视觉和RGB-D两种方法
[2-3]
。双目视觉中是利用两台高分辨率相机形成的视差来估计目标到相
机系统的距离,由于需要知道同一个目标点在两个相机成像的对应关系,计算量非常大,两台相机也使得体积变大。RGB-D
相机向探测目标发出主动光,通过回波强度来计算距离。TOF(Time of Flight)相机利用飞行时间法原理测算距离,因其具有速
度快、体积小、精度高、抗干扰性强的特性
[4]
,受到人们关注。近年来,随着光敏感器技术的提高,利用TOF相机探测距离解
算位姿优势愈加明显。
徐文福
[5]
等人提出了立体视觉的非合作目标自主识别与位姿测量方法,利用双目视觉模型提取目标特征并进行3D重构,进
一步计算位姿,此双目视觉系统体积大,计算量大。张旭东
[6]
等人提出了基于PMD相机的跟踪目标方法,利用深度相机直接
提取深度信息,然后在图像中提取目标特征,实时计算目标的位姿,但是只进行了近距离实验,应用仍然受到限制。
因此,本文设计了一套嵌入式TOF原理样机,该相机体积小,在实际应用时显得轻巧,而且采纳激光雷达作为主动光源能
进行远距离测距并成像。利用此TOF相机对特定的合作靶标进行识别,计算靶标形心的三维坐标,并解算目标物体的位姿,验
证激光雷达TOF相机在交会对接和SLAM中的可行性。
1 系统总体设计系统总体设计
1.1 系统结构与硬件组成系统结构与硬件组成
本文设计的嵌入式TOF相机系统由靶标、TOF相机、电源和计算机组成。在实验室条件下将靶标设计为黑色图形,共计4
个,组成“L”形状。常见的TOF相机是采用LED作为驱动光源,而本设计使用的TOF相机利用激光作为驱动光源,可以探测更
远的距离。TOF相机可以工作在两种模式下,在灰度模式下时,与普通相机一样,接收被动光源成像即为灰度图;也可以在深
度模式下,利用激光发出的主动光源直接获取深度数据,将数据按照图像矩阵排列即形成深度图,图像分辨率是320×240。采
用24 V稳压电源给相机供电。而TOF相机模块内部含有嵌入ARM板,此芯片上安装Linux操作系统,接收上位机的指令后将图
像数据通过网线传给计算机。系统总体框图如图1所示。
1.2 系统软件设计系统软件设计
本文的系统软件是基于QT5.9.4开发的一个应用程序,程序主要包括获取TOF相机灰度和深度图像的驱动,图像数据处理,
靶标的识别、匹配和位姿解算的算法,数据显示等。此外,为了方便调试算法,直接将灰度图和深度图显示在上位机界面上,
可查看每个像素的深度值。
为了描述靶标P的位置信息,需要确定坐标系,用 (X,Y,Z)表示出来。本文用到两个坐标系来描述靶标的位置信息,一个
是物体坐标系O
c
-X
c
Y
c
Z
c
,即目标物体的本体坐标系,原点设在目标物上;另一个是相机坐标系O
o
-X
o
Y
o
Z
o
,即观察坐标系,
原点设在相机的焦点上。坐标系如图2所示。