阅读说明：本技术 基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法及装置 (Monocular vision-based relative pose measurement method and device for near space aircraft ) 是由 黄磊 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法及装置,建立气囊坐标系、吊舱坐标系、测量系统坐标系及各坐标系间的关系,单目相机采集图像并传至嵌入式处理器处理,提取合作标识的图像中心位置并将其与气囊坐标系下的合作标识坐标相对应,计算出气囊坐标系相对测量系统坐标系的相对位姿,通过吊舱坐标系和测量系统坐标系间的转换关系得到气囊坐标系相对吊舱坐标系的相对位姿。本发明提供的基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法及装置,基于照明反光的特征合作标识、单目相机及机载嵌入式处理器有效实现临近空间飞行器在飞行过程中气囊和吊舱的相对位姿测量,满足轻量化、低功耗需求,对保障飞行安全、控制飞行运动具有重要意义。(The invention relates to a monocular vision-based near space vehicle relative pose measuring method and a monocular vision-based near space vehicle relative pose measuring device, wherein an air bag coordinate system, a pod coordinate system, a measuring system coordinate system and the relation among the coordinate systems are established, a monocular camera acquires images and transmits the images to an embedded processor for processing, the image center position of a cooperation mark is extracted and corresponds to the cooperation mark coordinate under the air bag coordinate system, the relative pose of the air bag coordinate system relative to the measuring system coordinate system is calculated, and the relative pose of the air bag coordinate system relative to the pod coordinate system is obtained through the conversion relation between the pod coordinate system and the measuring system coordinate system. According to the method and the device for measuring the relative pose of the near space vehicle based on the monocular vision, the measurement of the relative pose of the air bag and the pod of the near space vehicle in the flight process is effectively realized based on the characteristic cooperation mark of illumination and reflection, the monocular camera and the airborne embedded processor, the requirements of light weight and low power consumption are met, and the method and the device have important significance for guaranteeing flight safety and controlling flight motion.)

基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法及装置

技术领域

本发明属于临近空间飞行器技术领域，具体涉及基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法及装置。

背景技术

通常将高度在20～100km的空域称为临近空间，其作为一个新的空域，上可制天，下可制空、制海、制地，将成为未来研究和应用的热点。临近空间飞行器主要由充满氮气的气囊和装载设备的吊舱组成且二者通过缆绳连接在一起，主要用于地面和空间探测，在飞行中实时测量两者之间的相对位姿关系对于保障飞行安全、控制飞行运动具有重要的现实意义。

但是，关于临近空间飞行器的气囊和吊舱相对位姿的测量方法还没有相关报道公开，目前的位姿测量方法主要使用惯导方法和全球定位系统方法，只能对气囊和吊舱的位置姿态进行独立测量，无法获取气囊和吊舱之间的相对位姿。视觉测量以其测量范围大、测量过程非接触等优势，在测量领域具有不可替代的地位。因此，基于视觉的位姿测量技术是解决此类问题的一项重要关键技术。

临近空间飞行器的相对位姿测量旨在实现飞行过程中其气囊相对吊舱的位置姿态的高精度实时测量。临近空间飞行器体积大，相机测量视场大且测量视场朝上，实现各测量系统之间关系的标定是个重要难题。再者，测量系统面临着复杂的成像条件，一是由于对天观测，易受太阳干扰；二是从地面到最高空位置成像条件变化剧烈，靠近地面有大地反光和空气折射，空间亮度均匀，往上至最高空则空气稀薄，导致背光和逆光成像差异巨大，而被测的气囊表面缺乏明显特征，在复杂的成像条件下难以从气囊表面提取特征进行计算。而且，测量系统需安装于吊舱内作为机载设备，这对测量系统的轻量化、低功耗提出了较高要求。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法及装置。

为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法，包括以下步骤：

a、飞行测量启动前，将若干个合作标识合理分布粘贴于气囊底表面，单目相机、照明光源和嵌入式处理器固定于吊舱内，单目相机和照明光源均与嵌入式处理器连接；

b、建立气囊坐标系、吊舱坐标系和单目相机测量系统坐标系，并将各坐标系进行统一，标定得到的各项参数导入嵌入式处理器中，准备测量；

c、启动测量后，嵌入式处理器控制照明光源常亮，单目相机连续采集图像并传送至嵌入式处理器中，嵌入式处理器对得到的图像进行处理，提取合作标识的图像中心位置；

d、嵌入式处理器通过合作标识的空间排布特征将其与气囊坐标系下合作标识的坐标相对应，计算出气囊坐标系相对于单目相机测量系统坐标系的相对位姿，再通过吊舱坐标系和单目相机测量系统坐标系之间的关系，得到气囊坐标系相对吊舱坐标系的相对位置姿态；

e、嵌入式处理器将所得结果实时传输给后端控制器。

进一步的，步骤a中，将黑色吸光布和亮银化纤反光布裁剪制作成X型角点特征作为合作标识，选用六个合作标识作为特征沿气囊骨架粘贴至气囊底面表面。

进一步的，步骤a中，所述吊舱外壳上表面设计两个开窗，窗口覆盖镀膜玻璃以隔离吊舱内外，单目相机和照明光源分别安装于吊舱内对应的两个窗口处且方向朝上，调整相机和照明光源视角，保证相机和照明视场能够覆盖特征或合作标识运动区间，固定好单目相机的位置，保证在飞行运动过程中相机位置不发生变动。

进一步的，步骤b中，气囊坐标系、吊舱坐标系、测量系统坐标系的建立和标定步骤如下：

(1)单目相机安装前，需在实验室环境下标定好单目相机的内参；

(2)使用全站仪对气囊上设计时用于定义自身坐标系的特征进行测量，建立气囊坐标系；

(3)将气囊坐标系设置为全站仪内置测量坐标系，测量粘贴好的合作标识的坐标，得到所有合作标识在气囊坐标系下的坐标，并对其按规律进行编号；

(4)使用全站仪对吊舱上设计时用于定义自身坐标系的特征进行测量，建立吊舱坐标系；

(5)使用固定好的单目相机拍摄靶标上的特征点，在拍摄时，靶标不断变换位置姿态，与此同时将吊舱坐标系设置为全站仪内置测量坐标系，同步测量靶标上的特征点，得到其在吊舱坐标系下的坐标；在靶标上的光刻靶标和特征点关系已知的条件下，即可标定出吊舱坐标系和单目相机测量系统坐标系之间的旋转平移关系；

(6)将标定结果导入嵌入式处理器中。

进一步的，步骤c中，嵌入式处理器进行图像处理的步骤如下：

(1)测量过程中，嵌入式处理器直接控制照明光源常亮，同时以100Hz频率给出同步触发信号至单目相机，单目相机连续采集图像并将图像通过千兆网口传送至嵌入式处理器中；

(2)采用Hessian矩阵对X型角点特征对初步筛选后的图像进行亚像素提取，气囊表面及空中背景除特征标识外均缺乏X型角点特征，可鲁棒地获取所需各合作标识的角点在图像中的亚像素中心；

像素(x₀，y₀)的Hessian矩阵为：

该点法线方向的二阶梯度值及法线方向(n_x，n_y)为该点Hessian矩阵的最大绝对特征值和相应的特征向量；

设角点亚像素坐标为(x₀+s，y₀+t)，其中(s，t)∈[-0.5,0.5]*[-0.5,0.5]时，即边缘的一阶过零点在当前像素内，通过对角点(x₀，y₀)内子像素角点的灰度值进行二阶Taylor展开，有：

计算可得：

其中，r_xx、r_xy、r_yy分别表示图像在点(x₀，y₀)处x方向的二阶梯度、x方向一阶梯度的y方向一阶梯度以及y方向的二阶梯度；r_x、r_y分别表示图像在点(x₀，y₀)处x方向以及y方向的一阶梯度。

进一步的，步骤d中，具体步骤如下：

(1)通过不变的光学特征点空间几何拓扑约束关系，实现气囊合作标识特征点与图像合作标识像素点的匹配，得到对应的单目图像像素坐标和气囊坐标系下的世界坐标；

(2)根据气囊坐标系下各特征点的三维坐标和单目图像中各特征点的二维像素坐标，求解气囊坐标系相对于单目相机测量系统坐标系的位置姿态；

(3)在已知了吊舱坐标系与单目相机测量系统坐标系之间的转换关系的条件下，通过坐标系转换计算得到气囊坐标系相对吊舱坐标系的位置姿态变换关系。

进一步的，所述气囊底表面设置若干个合作标识，单目相机、照明光源和嵌入式处理器固定于吊舱内，单目相机和照明光源均与嵌入式处理器连接，嵌入式处理器与后端控制器连接进行数据传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开了基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法及装置，首先建立气囊坐标系、吊舱坐标系和单目相机测量系统坐标系，建立各坐标系间的关系，通过单目相机连续采集图像并将其传送至嵌入式处理器中，嵌入式处理器对得到的图像进行处理，提取合作标识的图像中心位置，并将其与气囊坐标系下的合作标识坐标相对应，再计算出气囊坐标系相对于测量系统坐标系的相对位姿，再通过吊舱坐标系和测量系统坐标系之间的转换关系，得到气囊坐标系相对吊舱坐标系的相对位姿；嵌入式处理器计算得到的结果实时传输给后端控制器作为运动反馈。本发明提供的基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法及装置，基于照明反光的特征合作标识、单目相机以及机载嵌入式处理器，有效实现临近空间飞行器在飞行过程中气囊和吊舱的相对位姿测量，满足轻量化、低功耗需求，可在复杂的成像条件下从气囊表面提取合作标识进行计算，对临近空间飞行器保障飞行安全、控制飞行运动具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的步骤框图；

图2为本发明的合作标识在气囊上的布置图；

图3为本发明的吊舱内的电路连接示意图；

图4为本发明的测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1-4所示，一种基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量装置，包括气囊2和吊舱，气囊2底表面设置若干个合作标识1，单目相机、照明光源和嵌入式处理器固定于吊舱内，单目相机和照明光源均与嵌入式处理器连接，嵌入式处理器与后端控制器通过连接进行数据传输。

基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法，包括以下步骤：

a、飞行测量启动前，将合作标识1合理分布粘贴于气囊2底面表面，单目相机、照明光源、嵌入式处理系统安装固定于吊舱内，其中单目相机和照明光源安装于吊舱开窗处且方向朝上，合理调整视角，具体包括以下步骤：

(1)将黑色吸光布和亮银化纤反光布裁剪制作成X型角点特征(黑色吸光布和亮银化纤反光布交替90°分布)作为合作标识，如图2所示，根据视场变化，在气囊2表面设计分布6个合作标识1，其中三个为编码标识，用于识别视场所在区域，其余全部为普通标识。通过普通标识与编码标识之间的距离来判定标识编号；

(2)在吊舱外壳上表面设计两个开窗，窗口覆盖镀膜玻璃以隔离吊舱内外，单目相机和一个照明光源分别安装于吊舱内对应的两个窗口下，调整相机和照明光源视角，保证相机和照明视场能够覆盖特征运动区间，固定好单目相机的位置，保证在飞行运动过程中相机位置不发生变动；

(3)在吊舱内固定嵌入式处理器，嵌入式处理器与单目相机之间通过千兆网口和同步触发线连接，嵌入式处理器和照明光源之间连接控制线，嵌入式处理器和后端控制器之间通过RS-422总线传输结果数据。

b、各模块安装固定好后，利用全站仪建立气囊坐标系、吊舱坐标系，并结合标定靶标建立单目相机测量系统坐标系，并将各坐标系进行统一。标定得到的各项参数导入嵌入式处理器中，即可准备开启测量，具体实现步骤如下：

(1)整个系统实现测量需建立气囊坐标系(O_BX_BY_BZ_B)、吊舱坐标系(O_SX_SY_SZ_S)、测量相机坐标系(O_CX_CY_CZ_C)。其中，单目相机测量系统坐标系建立在单目相机上。实现测量需通过标定获取所有合作标识1在气囊坐标系下的坐标(P_t1,P_t2,…,P_t9)、单目相机测量系统坐标系到吊舱坐标系间的旋转平移关系，即旋转矩阵R和平移向量T。单目相机安装前，需在实验室环境下标定好相机内参；

(2)使用全站仪对气囊上设计时用于定义自身坐标系的特征进行测量，建立气囊坐标系；

(3)将气囊坐标系设置为全站仪内置测量坐标系，测量粘贴好的合作标识1的坐标，得到所有合作标识1在气囊坐标系下的坐标，并对其按规律进行编号；

(4)使用全站仪对吊舱上设计时用于定义自身坐标系的特征进行测量，建立吊舱坐标系；

(5)使用固定好的单目相机拍摄靶标上的特征点，在拍摄时，靶标不断变换位置姿态，与此同时将吊舱坐标系设置为全站仪内置测量坐标系，同步测量靶标上的特征点，得到其在吊舱坐标系下的坐标；在靶标上的光刻靶标和特征点关系已知的条件下，即可标定出吊舱坐标系和单目相机测量系统坐标系之间的旋转平移关系；

(6)将标定结果导入嵌入式处理器中。

c、启动测量后，嵌入式处理器控制照明光源常亮，并通过控制触发信号以100Hz帧率给出同步触发信息，控制单目相机连续采集图像并将图像传送至嵌入式处理器中，嵌入式处理器对得到的图像进行处理，提取合作标识的图像中心位置。具体步骤如下：

(1)嵌入式处理器是以ARM+GPU为核心的控制和计算单元，可实现处理器的小型化和低功耗，通过千兆网口连接单目相机，同时通过一路控制信号连接至相机硬触发信号端，通过一路控制信号连接至照明光源控制开关；

(2)测量过程中，嵌入式处理器直接控制照明光源常亮，同时以100Hz频率给出同步触发信号至相机，相机开始连续采集并将图像通过千兆网口传送至嵌入式处理器中；

(3)在照明光源的照射下，合作标识1中的反光材料在图像中显示高亮，而周围的吸光材料在图像中则相比较暗，通过自适应二值化处理及形态学运算，可将合作标识1的大体位置确定出来；

(4)采用Hessian矩阵对X型角点特征对初步筛选后的图像进行亚像素提取，因气囊表面及空中背景除合作标识1外缺乏X型角点特征，因此可鲁棒地获取所需的各合作标识1的角点在图像中的亚像素中心。以上图像处理过程通过GPU进行加速，以达到图像快速处理的效果。

d、基于图像处理得到的各合作标识1的图像中心位置，通过不变的光学特征点空间几何拓扑约束关系，实现气囊合作标识特征点与图像合作标识像素点的匹配，得到对应的单目相机测量系统坐标系和气囊坐标系下的世界坐标，并通过算法获得气囊坐标系与测量系统坐标系的相对位姿，再通过测量系统坐标系和吊舱坐标系的关系得到最终的气囊坐标系和吊舱坐标系的相对位姿，具体步骤如下：

(1)通过不变的光学特征点空间几何拓扑约束关系，实现气囊合作标识特征点与图像合作标识像素点的匹配，得到对应的单目相机测量系统坐标系和气囊坐标系下的世界坐标；

(2)通过PnP算法，根据气囊坐标系下各特征点的三维坐标和单目图像中各特征点的二维像素坐标，求解气囊坐标系相对于单目相机测量系统坐标系的位置姿态；

(3)在已知了吊舱坐标系与单目相机测量系统坐标系之间的转换关系的条件下，通过坐标系转换即可计算得到气囊坐标系相对吊舱坐标系的实时的旋转矩阵R和平移向量T，此即为测量系统所得的目标参数；

(5)嵌入式处理器计算得到的结果通过RS-422总线实时传输给后端控制器作为运动反馈。

实施例1

如图1-4所示，一种基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量装置，包括气囊2和吊舱，气囊2底表面设置若干个合作标识1，单目相机、照明光源和嵌入式处理器固定于吊舱内，单目相机和照明光源均与嵌入式处理器连接，嵌入式处理器与后端控制器通过RS-422总线连接进行数据传输，单目相机通过RJ45网口与嵌入式处理器连接。

基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法，采用照明反光合作标识1的方式实现复杂环境光条件下的良好成像；基于ARM+GPU的嵌入式处理器实现机载设备小型化低功耗快速计算，涉及测量过程中各坐标系的建立和现场标定、复杂条件下的目标特征构建和成像方法、以及基于机载嵌入式系统的图像处理和位姿求解方法，为视觉测量的核心技术，是实现测量目标，保证系统测量精度的关键。

基于单目视觉的临近空间飞行器相对位姿测量方法，首先是整个系统中各类坐标系的建立和标定，包括气囊坐标系、吊舱坐标系和测量系统坐标系，建立各坐标系间的关系。

具体步骤为：

a、飞行测量启动前，将若干个合作标识1合理分布粘贴于气囊2底面表面，单目相机、照明光源、嵌入式处理器安装固定于吊舱内，单目相机、照明光源与嵌入式处理器连接，通过嵌入式处理器控制照明光源的启闭，其中单目相机和照明光源安装于吊舱开窗处且方向朝上，合理调整视角；

b、各模块安装固定完毕后，利用全站仪建立气囊坐标系和吊舱坐标系，并结合标定靶标建立单目相机测量系统坐标系，并将各坐标系进行统一，标定得到的各项参数导入嵌入式处理器中，即可准备开启测量；

c、启动测量后，嵌入式处理器控制照明光源常亮，并通过控制触发信号以100Hz帧率给出同步触发信息，控制单目相机连续采集合作标识1的图像并将其传送至嵌入式处理器中，嵌入式处理器对得到的图像进行处理，提取合作标识1的图像中心位置；

d、嵌入式处理器基于图像处理技术得到的各合作标识1的图像中心位置，通过空间几何拓扑约束关系将其与气囊坐标系下的合作标识坐标相对应，再计算出气囊坐标系相对于测量系统坐标系的相对位姿，再通过吊舱坐标系和测量系统坐标系之间的转换关系，得到气囊坐标系相对吊舱坐标系的相对位姿；

e、嵌入式处理器计算得到的结果实时传输给后端控制器作为运动反馈。

步骤a中，将合作标识1、单目相机、照明光源、嵌入式处理器等安装固定并调整视角的具体步骤如下：

(1)将黑色吸光布和亮银化纤反光布裁剪制作成X型角点特征(黑色吸光布和亮银化纤反光布交替90°分布)作为合作标识1，选用六个合作标识1作为特征沿气囊2骨架粘贴至气囊2下表面外；

(2)在吊舱外壳上表面设计两个开窗，窗口覆盖镀膜玻璃以隔离吊舱内外，单目相机和一个照明光源分别安装于吊舱内对应的两个窗口下，调整相机和照明光源视角，保证相机和照明视场能够覆盖特征运动区间，固定好单目相机的位置，保证在飞行运动过程中相机位置不发生变动；

(3)在吊舱内固定嵌入式处理器，并完成其与单目相机、照明光源、供电电源、后端控制器的电气连接。

步骤b中，气囊坐标系、吊舱坐标系、单目视觉测量坐标系的建立和标定步骤如下：

(1)单目相机安装前，需在实验室环境下标定好各相机内参；

(2)使用全站仪对气囊上设计时用于定义自身坐标系的特征进行测量，建立气囊坐标系；

(3)将气囊坐标系设置为全站仪内置测量坐标系，测量粘贴好的合作标识1的坐标，得到所有合作标识1在气囊坐标系下的坐标，并对其按规律进行编号P_i(i＝1…6)；

(4)使用全站仪对吊舱上设计时用于定义自身坐标系的特征进行测量，建立吊舱坐标系；

(5)使用固定好的单目相机拍摄靶标上的特征点，在拍摄时，靶标不断变换位置姿态，与此同时将吊舱坐标系设置为全站仪内置测量坐标系，同步测量靶标上的特征点，得到其在吊舱坐标系下的坐标；在靶标上的光刻靶标和特征点关系已知的条件下，即可标定出吊舱坐标系和单目相机测量系统坐标系之间的旋转平移关系；

(6)将标定结果导入嵌入式处理器中。

步骤c中，嵌入式处理器进行图像处理的步骤如下：

(1)嵌入式处理器是以ARM+GPU为核心的控制和计算单元，可实现处理器的小型化和低功耗，通过千兆网口连接单目相机，对相机进行图像接收和设置，同时通过控制信号连接至相机硬触发信号端，并通过一路控制信号连接至照明光源控制开关；

(2)测量过程中，嵌入式处理器直接控制照明光源常亮，同时以100Hz频率给出同步触发信号至单目相机，单目相机开始连续采集图像并将图像通过千兆网口传送至嵌入式处理器中；

(3)在照明光源的照射下，合作标识1中的反光材料在图像中显示高亮，而周围的吸光材料在图像中则相比较暗，通过自适应二值化处理及形态学运算，可将合作标识1的大体位置确定出来；因合作标识1中两种材质的成像特点对比明显，因此无论是在靠近地面整体照度较强的环境还是在高空背光整体较暗的环境，总可将合作标识1大致分离出来；

(4)采用Hessian矩阵对X型角点特征对初步筛选后的图像进行亚像素提取；气囊表面及空中背景除特征标识外均缺乏X型角点特征，因此可鲁棒地获取所需各合作标识1的角点在图像中的亚像素中心；

像素(x₀，y₀)的Hessian矩阵为：

该点法线方向的二阶梯度值及法线方向(n_x，n_y)为该点Hessian矩阵的最大绝对特征值和相应的特征向量。

设角点亚像素坐标为(x₀+s，y₀+t)，其中(s，t)∈[-0.5,0.5]*[-0.5,0.5]时，即边缘的一阶过零点在当前像素内，通过对角点(x₀，y₀)内子像素角点的灰度值进行二阶Taylor展开，有：

计算可得：

其中，r_xx、r_xy、r_yy分别表示图像在点(x₀，y₀)处x方向的二阶梯度、x方向一阶梯度的y方向一阶梯度以及y方向的二阶梯度；r_x、r_y分别表示图像在点(x₀，y₀)处x方向以及y方向的一阶梯度。

步骤d中，具体步骤如下：

(1)通过不变的光学特征点空间几何拓扑约束关系，实现气囊合作标识特征点与图像合作标识像素点的匹配，得到对应的单目图像像素坐标和气囊坐标系下的世界坐标，具体原理如下：

在相机透视投影变换过程中，结合不变的光学特征点空间几何拓扑约束关系，实现图像特征点与特征X型角点的匹配。通过分析空间拓扑结构，在透视投影变换过程中具有以下特点：

1)直线不变。空间直线在透视投影变换后的成像仍是直线，即共线的特征点投影成像后仍满足共线；

2)共面点在透视投影变换过程中时针顺序不变。特征点的时针排列顺序在透视投影变换后不发生变化；

基于以上两个特点，匹配流程如下：

1)利用最小二乘法对提取的六个合作标识1的像素坐标进行直线拟合，拟合得到的直线j即合作标识1的P₂～P₅所在的直线；

2)设定精度ε，ε是设置的阈值。计算合作标识1的P_i(i＝1…6)到直线j的距离D_i(i＝1…6)，如果D_i＜ε，则认为P_i为合作标识1中的P₂～P₅之一，剩余两个特征点为P₁和P₆；

3)利用最小二乘法对上一步中得到的特征点P₁和P₆的像素坐标直线拟合得到直线k；

4)求得直线j和直线k的交点G，特征点P₂～P₅中距离交点G最小的是特征点P₃，距离交点G最大的是特征点P₅；判断特征点P₂和P₄与特征点P₅距离，其中距离最小的点是特征点P₄，距离最大的是特征点P₂；

5)剩余的特征点P₁和P₆。通过判断特征点与直线j的位置关系确定，由于吊舱的限制特征点P₁始终位于直线j的上方，而位于直线j下方的是特征点P₆，即完成全部特征点的匹配。

(2)通过PnP算法，根据气囊坐标系下各特征点的三维坐标和单目图像中各特征点的二维像素坐标，求解气囊坐标系相对于单目相机测量系统坐标系的位置姿态，其中PnP算法如下：

单目相机透视投影模型由下式表示：

其中，A为单目相机内参数矩阵，可通过单目相机标定获得；λ为尺度因子，[X Y Z1]^T为三维点在气囊坐标系下的坐标；[u v 1]是三维点在以像素为单位的图像坐标系下的齐次坐标；

旋转矩阵R和平移矢量T表述如下：

单目相机经过标定后，单目相机内参数已知，可以计算出二维图像点在单目相机测量系统坐标系下的坐标。可以通过单目相机测量系统坐标系下的三维点坐标和世界坐标系下的三维点坐标，计算单目相机测量系统坐标系与世界坐标系之间的旋转矩阵R与平移向量T。旋转矩阵R为3*3的单位正交矩阵，有三个自由度，所以两坐标系之间的转换关系有六个自由度。将气囊坐标系下点的世界坐标带入上式并整理得到下式。

一对三维-二维点对能够提供两个自由度的约束。因此，若单目相机经过标定，以及已知3个以上的三维点在世界坐标系下的坐标以及对应的图像坐标，则可以计算单目相机测量系统坐标系与世界坐标系之间的转换关系R、T。

由于合作标识1一共有6个，因此，对于求解R、T的方程组的方程数目多于未知数数目，因此可通过最小二乘的方法求解R、T的最小二乘解，从而得到气囊相对于单目相机测量系统坐标系的相对位姿。

(3)在已知了吊舱坐标系与单目相机测量系统坐标系之间的转换关系的条件下，通过坐标系转换计算得到气囊坐标系相对吊舱坐标系的位置姿态变换关系，坐标系转换原理如下：

坐标系转换是空间实体的位置描述，是从一种坐标系统变换到另一种坐标系统的过程。通过建立两个坐标系统之间一一对应关系来实现，其中坐标系的转化式为：

其中，表示从一坐标系2到另一坐标系1的旋转矩阵；表示从一相机坐标系2到另一相机坐标系1的平移矢量；O表示一行三列的元素全为0的行向量。

对于气囊坐标系先转换到单目相机测量系统坐标系再转换到吊舱坐标系的计算式如下：

其中，R₃＝R₂R₁,T₃＝R₂T₁+T₂，即可求得气囊坐标系相对吊舱坐标系的位置姿态变换关系。

步骤e中，测量结果即由嵌入式处理器通过RS-422总线实时传输给后端控制器作为运动反馈。

本发明未详细说明的部分采用现有技术即可实现，在此不做赘述。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。