[发明专利]一种自主空中加油场景下锥套目标的单目视觉位姿解算方法

说明书

本发明公开了一种自主空中加油场景下锥套目标的单目视觉位姿解算方法，提取图像中与锥套上圆对应的图像特征，包含一个内圆和伞骨上的若干个圆；用内圆在图像坐标系的椭圆参数和实际已知的加油锥套内部圆形加油口的半径大小进行位姿解算，得到二义性位姿解，即两组可能的位姿解；利用伞骨上若干个圆的图像特征与两组位姿解，恢复出两个待定的目标空间结构；运行二级共轴约束，排除解算结果的二义性，得到内圆解算的唯一解，一并得到其余伞骨上圆解算的唯一位姿解；融合多圆特征求解位姿。本发明可以有效解决单目视觉单圆位姿解算存在二义性解的问题，并且融合多个共轴圆特征可优化得到更为精确的目标姿态解。

技术领域

本发明属于计算机视觉领域，具体涉及一种自主空中加油场景下锥套目标的 单目视觉位姿解算方法。

背景技术

空中加油技术可以显著延长航空器的续航能力，在战略或战术航空作战中具 有极其重要的意义。在现有的文献资料中空中加油方式可分成软管式和硬管式两 种。其中软管式空中加油方式由于经济性和灵活性，且被更多国家掌握，相对来 说更适合用于航空器的自主空中加油。软管式自主空中加油对接过程中，锥套与 受油机之间的相对位姿测量是加油成功与否的关键。单目视觉具有结构简单、便 于标定、维护方便有效视场大等优点，受到研究人员的普遍重视，发展最为迅速 且应用最为普及。因此，也是空中加油对接阶段引导受油机探针与锥套的常用导 航方法。

自美国率先验证了主空中加油项目(AAR)以来，各国借鉴其利用多个LED 光标进行位姿解算的VisNav视觉导航系统的经验，开展了大量研究工作。现有 的大多数自主空中加油视觉导航方法，常采用安装在锥套上的光学标记辅助的位 姿解算方法，包括LED光标、光敏材料标记等。

与人工标记相比，锥套自身是一个典型的同轴旋转体，其上存在较为丰富的 圆特征且容易提取。因其几何特点，圆特征对遮挡情况具有较高的抗干扰能力。 利用目标自身圆形特征的视觉成像进行位置姿态等导航参数的解算是一种别具 优势的方法。然而，实际加油过程中随着飞机速度变化，锥套伞骨会呈现不同程 度的开合状态，导致位于伞骨上的圆形特征存在一定程度的形变，难以获取实时 有效的尺寸约束信息，用于单目视觉位姿解算。只有加油口附近的内圆的半径尺 寸与形状相对固定，可被用于锥套的位姿解算。但是，单目视觉成像原理决定了 仅用单个圆特征进行位姿解算存在二义性的问题，即满足相同投影约束存在两组 圆心位置与圆平面法向量的解。当且仅当，光心与目标圆形成正圆锥时有唯一解。

为了消除二义性解中的虚假位姿解，很多学者提出了构建空间中的参考点， 利用其到圆心的欧氏距离不变性作为约束进行正确位姿选取，但这种方法需要借 助一个已知的点特征；也有学者采用运动恢复结构方法重建空间约束角，由刚体 运动不改变空间夹角的角度约束消除圆位姿估计二义性的方法，但需要场景中较 为稠密的点特征用于目标重建。针对多个圆特征的情况，也有学者研究了多个平 行圆或圆柱形特征约束下的目标位姿解，隐含条件为共轴圆半径尺寸已知。

以上方法或是要求目标存在或安装可识别的特殊结构，或是需要场景中包含 较多的可用于恢复场景的特征信息，均需要满足特定的需求或特殊的条件，不适 用于空中加油锥套位姿估计的情况，也没有考虑锥套自身结构的特性。

发明内容

发明目的：本发明提出了一种自主空中加油场景下锥套目标的单目视觉位姿 解算方法，可以有效解决单目视觉单圆位姿解算存在二义性解的问题，并且融合 多个共轴圆特征可优化得到更为精确的目标姿态解。

技术方案：本发明所述的一种自主空中加油场景下锥套目标的单目视觉位姿 解算方法，具体包括以下步骤：

(1)提取待解算位姿的锥套目标的实时图像中与锥套上圆对应的图像特征， 包含一个内圆和伞骨上的若干个圆；

(2)用步骤(1)提取得到的内圆在图像坐标系的椭圆参数和实际已知的加 油锥套内部圆形加油口的半径大小进行位姿解算，得到二义性位姿解，即两组可 能的位姿解；