空间站机械臂位姿测量中合作靶标的快速识别.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSinicaADr252015VoI．36No．41330-1338ISSN1000．6893CN11．1929／VhttD：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb《銎buaa．edu．cn空间站机械臂位姿测量中合作靶标的快速识别温卓漫1’2，王延杰1’*，邸男1，初广丽1’2⋯，金明河41．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春1300332．中国科学院大学，北京1000493．白城师范学院，白城1370004．哈尔滨工业大学机器人技术

2、与系统国家重点实验室，哈尔滨150080摘要：空间站机械臂在完成辅助对接或者目标抓捕时，需要实时求取机械臂上的视觉传感器与目标上的合作靶标之间的位置和姿态，而其前提条件是合作靶标的快速识别。本文提出了一种合作靶标的快速识别算法。算法分为3大步骤：首先用SobeI算子和改进的非极大值抑制算法提取靶标图像的单像素边缘；然后将每条边缘分为两段，分别采用最小二乘法进行圆拟合，若两段拟合结果相似则该边缘属于圆形；最后根据圆形的大小在每个圆形周围开出一大一小两个正方形窗口，统计在两窗的补集内距离圆心较近的直线数量，若直线数量

3、满足规定条件则认为是合作靶标。利用手眼相机、六自由度转台和合作靶标对算法进行了验证，实验结果表明该算法能在1．5m的距离内准确识别合作靶标，且不受光照条件影响。合作靶标的识别算法快速、稳定、抗干扰能力强。关键词：机器视觉；目标识别；非极大值抑制；圆检测；直线检测中图分类号：V526；TP391．4文献标识码：A文章编号：1000一6893(2015)04—1330—09空间站机械臂[1。41是在空间站舱内或者舱外完成辅助对接、目标搬运等操作的重要工具。通常情况下，机械臂上安装有视觉传感器(摄像机)和抓捕机构；对接

4、的飞船或者搬运的目标上安装有被抓捕机构和合作靶标[5。8]。在对接或者抓取的过程中，需要实时求取视觉传感器相对于合作靶标的位置和姿态，进而转换为机械臂上的抓捕机构与目标上的被抓捕机构之间的位姿关系，从而控制机械臂规划抓取路径。所以，目标上合作靶标的快速识别是实时位姿测量的先决条件。目前，美国的航空航天项目在飞船对接时大都采用改进的视频制导敏感器(AdvancedVideoGuidanceSensor，AVGS)作为合作靶标，靶标由4个加了滤光片的标识点构成。分别使用两种不同波长的激光照射靶标，第1种激光不被反射，

5、产生背景图；第2种被反射，产生前景图。二者相减；用一个阈值提取结果图，图上就只剩下标识点了；用多点透视算法(Perspective—n—Point，PnP)根据标识点的图像坐标求解位姿，从而实现全自动识别。这种方案需要使用两种激光照明，靶标的制作很复杂，对舱内机械臂对合作目标的抓取不适用。日本工程测试卫星7号(EngineeringTestSatellite一7，ETS—VII)使用3点非共面光标，使用视觉的方式进行识别。在中国，天宫与神收稿日期：2014—05-06；退修日期：2014-05-26；录用日期：2

6、014—06-10；网络出版时间：2014—06—1810：55网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000．6893．2014．0118htmI基金项目：国家“973”计划(2013CB733103)*通讯作者Tel：0431·86176560E—mail：wangyj@ciomp．ac．cn翻用罄武

7、wenZM，WangYJ．DiN，elaI．Fasneco∞itionol∞o。erativetar9etu∞dfor。ositIonandorienlalionme

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10、nia，2015．36(4)：1330．1338温卓漫．壬延杰．郾勇．等．空阚站机械臂位姿霸量中合作靶标的快速识瓤【JI。航空学报。2015．36(4)：1330．{338温卓漫等：空间站机械臂位姿测量中合作靶标的快速识别舟8、9、10号手动对接时使用的是十字形靶标，靶标的识别是依靠人眼观测完成的；自动对接时使用的是激光雷达系统。本文提出了一种具有圆形特征合作靶标的快速识别方案。本

11、合作靶标识别的重点是圆检测，最著名的圆检测算法是Hough变换法，然而此算法需要将图像坐标系变换为参数坐标系，运算量和存储量都很大，基于它的改进算法[9。1妇很多，然而速度都不够理想。现有的最快圆检测算法是Wu等[12]提出的，本文在该算法的基础上提出了一种速度更快的改进方案。为了进一步提高识别准确率，在圆检测后根据靶标上的直线特征再次进行了靶标判别。合作靶标识别算法计算