CN114777728A - 三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三自由度气浮台的获取自身姿态与定位的测量方法，利用高精度数字信号陀螺仪获取自身实时角度信息，将角度信息串口发送给气浮台本体单片机，且单片机以蓝牙方式将角度信息发送于上位机软件；利用红外成像视觉相机，获取安装于气浮台上的特制靶标图像，经图像处理后解算靶标圆点相机坐标位置，结合实际安装工位再解算出气浮台当前所处平台坐标位置并传给上位机软件，上位机软件将位置信息发送给气浮台本体单片机。本发明能够实现三自由度气浮台实时获得自身姿态和位置的测量信息，且通过上位机软件进行实时人机交互，是气浮模拟器实现GNC算法进行位姿轨道模拟的前提。本发明具有结构简单，鲁棒性高，精度高等优点。

Description

三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法

技术领域

本发明属于室内慢速物体运动测量领域，特别是三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法。

背景技术

为了降低小卫星的研发成本和风险，缩短研发周期，在上天之前，需要在地面对轨道和姿态控制算法进行大量的模拟试验。气浮仿真试验台通过气浮轴承和光滑平台之间的空气薄膜，悬浮在平台上，提供了一种无摩擦的环境，可模拟航天器在无重无摩擦环境下近距离操作的导航、制导和控制过程，是目前空间操作任务地面验证的主要手段。而三自由度(两个水平平动和绕垂直轴旋转)气浮仿真试验台的研究，用于近距离空间操作任务的地面试验。以气浮台本体模拟卫星运动的物理仿真，不必用数学模型代替控制***和控制对象，可直接配置实物进行控制，避免了数学建模的困难，且对控制***性能的影响就被直观而有效地反映在仿真试验的结果中，对于验证控制算法的正确性、检验实际控制效果非常有意义。实现这些功能的前提是要让气浮台获取到自身的实时状态，包括自身位置和姿态信息。

对于三自由度气浮台的位姿测量可以等同于对室内缓慢移动的物体的位置及姿态测量，惯性测量的传统方法是利用高精度的陀螺仪和加速度计等惯性元件来测量载体运动的角速度和加速度，然后通过积分角位移和线位移，从而获得运动过程中载体的位置和姿态。但是其测量线位移误差较大，难以满足气浮台的定位需要。一些优化的测量***，如利用微机电***(MEMS)加速度传感器的姿态测量***、以三轴重力加速度计和三轴磁强计为传感器的姿态测量***、微型惯性测量组合等，可改善传统惯性***的不足。但是***结构较为复杂，鲁棒性较低。AT&T开发的Active Badge室内定位***，***在待测物体上附一个电子标识，标识向室内固定放置的红外接收机周期发送该待测物体唯一的ID信息和距离信息，接收机再通过有线网络将数据传输给数据库进行定位。由于采用的是红外线技术，当环境中有荧光干扰或直射阳光时，会产生红外干扰从而使得Active Badge产生定位误差，且不能够进行姿态测量。Cricket定位***通过发射、接收超声波信号来测量固定信标点与移动节点之间的距离进而实现定位的。Cricket定位技术容易受到障碍物阻挡和反射的影响使定位精度下降，且定位精度容易受到室内温度变化的影响。RADAR定位***是将接收信号强度作为估计发射器与接收器间距的重要依据。***通过建立无线信号模型，确定信号强度的衰减与收发设备间距离的关系，从而获得最优的模型估算参数。该***的最大优势在于它不需要特定的硬件开发和大量信号强度采样工作，但射频信号传输环境的不稳定性严重影响***的定位精度。对于激光雷达定位的方式，由于需要自身旋转，会对气浮模拟器高自由的运动造成一定的干扰。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种结合视觉与陀螺仪测定的方法，视觉部分负责识别气浮台的实时位置，陀螺仪负责读取气浮台的实时角度信息，不同传感器负责检测各自的状态信息，分工明确，算法简单。

实现本发明目的的技术解决方案为：三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在气浮台本体上安装陀螺仪和靶标；

步骤2，对陀螺仪进行角度标定，之后由陀螺仪测量气浮台本体的角度，气浮台本体单片机读取后将角度值通过气浮台本体单片机传输至上位机软件；

步骤3，利用视觉相机采集气浮台本体上的靶标图像，并通过图像处理识别出靶标中心圆点图案，之后解算靶标中心点的位置，即气浮台本体当前所处相机坐标系的坐标位置；

步骤4，进行坐标转换，获得气浮台本体在当前所在平台上的空间位置坐标，并将该位置坐标上传至上位机软件，之后上位机软件将位置坐标信息传输至气浮台本体单片机。

进一步地，所述靶标采用红外有源平面式靶标，该靶标的结构为：红外LCD背光板嵌于靶标的几何中心。

进一步地，所述通过图像处理识别出靶标，之后解算靶标中心点的位置，具体过程包括：

步骤3-1，对气浮台本体图像进行去噪和二值化处理；

步骤3-2，检测图像中的圆形目标区域；

步骤3-3，判断圆形目标区域数是否为1，若是，则圆形目标区域为靶标，执行下一步，否则舍弃该图像，重新利用视觉相机采集气浮台本体图像并返回步骤3-1；

步骤3-4，利用灰度重心法对圆形目标区域中心进行定位，由此获得靶标中心点的位置。

进一步地，在步骤4所述进行坐标转换之前还包括进行位置标定，具体包括：

步骤4-1，将视觉相机成像中心作为相机坐标系原点，将气浮台本体所在平台的中心点作为平台坐标系原点；

步骤4-2，将步骤4-1中的两个坐标原点重合，即相机光轴重合于平台坐标系原点且垂直于平台坐标系；

步骤4-3，利用视觉相机采集靶标图像，获取靶标中心在相机坐标系中的坐标位置(u,v)，同时实际测量气浮台本体在平台坐标系中的坐标位置(X,Y)，之后利用下式求解坐标转换比例系数k，完成标定：

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1)能够实现三自由度气浮台的角度和位置测量，测量精度完全不亚于单独视觉测量或者模拟器本体体载传感器测量，姿态与位置使用不同的传感器测量，视觉测量结构及陀螺仪测量结构都较为简单，二者结合使得实现的算法或程序都较为容易，降低了对开发人员的要求。

2)采用高精度陀螺仪测姿结合视觉测量定位的位姿测量方式，功耗小，整体结构简单，其中间通信只需一台上位机即可完成，设备要求简单，且精度高，鲁棒性高。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法原理框图。

图2是视觉处理图像流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，结合图1，提供了三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在气浮台本体上安装陀螺仪和靶标；

步骤2，对陀螺仪进行角度标定，之后由陀螺仪测量气浮台本体的角度，气浮台本体单片机读取后将角度值通过气浮台本体单片机传输至上位机软件；

步骤3，利用视觉相机采集气浮台本体上的靶标图像，并通过图像处理识别出靶标中心圆点图案，之后解算靶标中心点的位置，即气浮台本体当前所处相机坐标系的坐标位置；

步骤4，进行坐标转换，获得气浮台本体在当前所在平台上的空间位置坐标，并将该位置坐标上传至上位机软件，之后上位机软件将位置坐标信息传输至气浮台本体单片机。

进一步地，在其中一个实施例中，所述靶标采用红外有源平面式靶标，该靶标结构尺寸为50mm×50mm×15mm，结构为：红外LCD背光板嵌于靶标的几何中心，再由表面的修光层将背光板有效照射区域整规为直径20mm的圆，圆心与靶标几何中心一致。

进一步地，在其中一个实施例中，所述红外LCD背光板的波长为1000nm。

进一步地，在其中一个实施例中，所述视觉相机采用红外成像视觉相机，且配有仅能通过红外LCD背光板波长的红外窄带滤镜。

进一步地，在其中一个实施例中，步骤3中所述通过图像处理识别出靶标，之后解算靶标中心点的位置，结合图2，具体过程包括：

步骤3-1，对气浮台本体图像进行去噪和二值化处理；

步骤3-2，检测图像中的圆形目标区域；

步骤3-3，判断圆形目标区域数是否为1，若是，则圆形目标区域为靶标，执行下一步，否则舍弃该图像，重新利用视觉相机采集气浮台本体图像并返回步骤3-1；

步骤3-4，利用灰度重心法对圆形目标区域中心进行定位，由此获得靶标中心点的位置。

进一步地，在其中一个实施例中，在步骤4所述进行坐标转换之前还包括进行位置标定，具体包括：

步骤4-1，将视觉相机成像中心作为相机坐标系原点，将气浮台本体所在平台的中心点作为平台坐标系原点；

步骤4-2，将步骤4-1中的两个坐标原点重合，即相机光轴重合于平台坐标系原点且垂直于平台坐标系；

步骤4-3，利用视觉相机采集靶标图像，获取靶标中心在相机坐标系中的坐标位置(u,v)，同时实际测量气浮台本体在平台坐标系中的坐标位置(X,Y)，之后利用下式求解坐标转换比例系数k，完成标定：

进一步地，在其中一个实施例中，步骤4所述进行坐标转换，获得气浮台本体在当前所在平台上的空间位置坐标，具体为：基于公式(2)，结合步骤3获得的气浮台本体当前所处相机坐标系的坐标位置和所述坐标转换比例系数k，求得气浮台本体在当前所在平台上的空间位置坐标。

进一步地，在其中一个实施例中，所述气浮台本体单片机与上位机软件之间的通信方式采用蓝牙通信。

本发明采用高精度陀螺仪测姿结合视觉测量定位的位姿测量方式，功耗小，整体结构简单，其中间通信只需一台上位机即可完成，设备要求简单，且精度高，鲁棒性高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，在气浮台本体上安装陀螺仪和靶标；

步骤2，对陀螺仪进行角度标定，之后由陀螺仪测量气浮台本体的角度，气浮台本体单片机读取后将角度值通过气浮台本体单片机传输至上位机软件；

步骤3，利用视觉相机采集气浮台本体上的靶标图像，并通过图像处理识别出靶标中心圆点图案，之后解算靶标中心点的位置，即气浮台本体当前所处相机坐标系的坐标位置；

步骤4，进行坐标转换，获得气浮台本体在当前所在平台上的空间位置坐标，并将该位置坐标上传至上位机软件，之后上位机软件将位置坐标信息传输至气浮台本体单片机。

2.根据权利要求1所述的三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法，其特征在于，所述靶标采用红外有源平面式靶标，该靶标的结构为：红外LCD背光板嵌于靶标的几何中心。

3.根据权利要求1所述的三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法，其特征在于，所述红外LCD背光板的波长为1000nm。

4.根据权利要求1或2所述的三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法，其特征在于，所述视觉相机采用红外成像视觉相机，且配有仅能通过红外LCD背光板波长的红外窄带滤镜。

5.根据权利要求1所述的三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法，其特征在于，步骤3中所述通过图像处理识别出靶标，之后解算靶标中心点的位置，具体过程包括：

步骤3-1，对气浮台本体图像进行去噪和二值化处理；

步骤3-2，检测图像中的圆形目标区域；

步骤3-3，判断圆形目标区域数是否为1，若是，则圆形目标区域为靶标，执行下一步，否则舍弃该图像，重新利用视觉相机采集气浮台本体图像并返回步骤3-1；

步骤3-4，利用灰度重心法对圆形目标区域中心进行定位，由此获得靶标中心点的位置。

6.根据权利要求1所述的三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法，其特征在于，在步骤4所述进行坐标转换之前还包括进行位置标定，具体包括：

步骤4-1，将视觉相机成像中心作为相机坐标系原点，将气浮台本体所在平台的中心点作为平台坐标系原点；

步骤4-2，将步骤4-1中的两个坐标原点重合，即相机光轴重合于平台坐标系原点且垂直于平台坐标系；

步骤4-3，利用视觉相机采集靶标图像，获取靶标中心在相机坐标系中的坐标位置(u,v)，同时实际测量气浮台本体在平台坐标系中的坐标位置(X,Y)，之后利用下式求解坐标转换比例系数k，完成标定：

7.根据权利要求1或6所述的三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法，其特征在于，步骤4所述进行坐标转换，获得气浮台本体在当前所在平台上的空间位置坐标，具体为：基于公式(1)，结合步骤3获得的气浮台本体当前所处相机坐标系的坐标位置和所述坐标转换比例系数k，求得气浮台本体在当前所在平台上的空间位置坐标。

8.根据权利要求1所述的三自由度气浮台获取自身姿态与定位的测量方法，其特征在于，所述气浮台本体单片机与上位机软件之间的通信方式采用蓝牙通信。

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