[發明專利]一種航天器交會對接相對位姿測量方法

無效

• 申請號: 201210111347.4
• 申請日: 2012-04-16
• 公開（公告）號: CN102620656A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 李靜;王惠南;劉海穎
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明涉及機器視覺、計算方法、數學、數值方法領域，特別涉及一種基于普呂克直線方程的航天器交會對接相對位姿測量方法，適用于航天器交會對接時相對位姿的測量。

背景技術

航天器交會對接技術是指宇宙飛船、航天飛機這兩類航天器在軌會合并在結構上連成一個整體的技術。美國20世紀60年代初的雙子星座計劃主要是依靠航天員的視覺觀測來確定航天器之間的相對位置和姿態，俄羅斯的交會對接測量系統主要采用的是微波雷達技術，歐空局從20世紀80年代初期就開始研究交會對接測量技術及敏感器，2011年11月3日凌晨，我國神舟八號飛船與天宮一號實現交會對接，中國載人航天首次空間交會對接試驗獲得成功。2012年4月，我國的天宮一號與神舟九號載人交會對接任務已經進入全面實施階段。

在航天器交會對接中，基于雙目視覺的方法主要是通過射影幾何、齊次坐標等數學工具描述圖像的成像原理。傳統的方法是在追蹤航天器上安裝兩個CCD傳感器，通過對特征點在CCD上成像的分析和計算就可以確定追蹤航天器和目標航天器之間的相對位置和姿態信息，本發明選取目標航天器上的兩條非共面直線在CCD上的成像分析來計算兩個航天器相對位姿的方法則更加簡便。在航天器交會對接中，確定六個自由度的相對位姿信息是一個非常重要的問題。經典的衛星姿態描述方法有歐拉角法、四元數法等。歐拉角是由坐標系經過三次旋轉得到的三參數描述方法；四參數的四元數通過繞旋轉軸一次旋轉得到，可以避免歐拉角在大角度時“奇異”以及復雜的三角函數運算，但是這種方法是將位置和姿態分開來測量的，普呂克直線的方法則可以使航天器的位置和姿態統一起來測量。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：針對目前航天器交會對接時位置和姿態分開測量的不足，本發明提供一種能夠兼顧位置和姿態的測量，得到更精確測量結果的雙目立體視覺的測量方法。

為解決上述技術問題，本發明一種航天器交會對接相對位姿測量方法，包括以下步驟：

步驟1、采用雙目視覺定位算法確定目標航天器中任意兩條非共面直線在追蹤航天器坐標系中的坐標值；

步驟2、采用普呂克直線法表示上述兩條非共面直線在目標航天器坐標系下的坐標值；

步驟3、采用普呂克直線法表示步驟1中獲得的坐標值；

步驟4、根據步驟2和步驟3獲得普呂克直線法表示的坐標值，采用普呂克直線方程確定這兩條直線在目標航天器和追蹤航天器坐標系下的相對位姿關系；

步驟5、根據步驟4獲得的上述兩條非共面直線在目標航天器和追蹤航天器坐標系下的相對位姿關系，采用奇異值分解的方法獲得單位對偶四元數表示目標航天器和追蹤航天器坐標系間的相對位姿，從而得到兩個航天器間的相對位置和姿態信息。

進一步地，本發明航天器交會對接相對位姿測量方法中，所述步驟1中，采用雙目視覺定位法確定目標航天器中任意兩條非共面直線在追蹤航天器坐標系中的坐標值具體如下：由追蹤航天器兩個攝像機C₁與C₂觀察到的目標航天器上任意兩條非共面直線和在攝像機C₁圖像坐標下的值分別為在攝像機C₂圖像坐標下的值分別為則直線為由攝像機C₁坐標系原點O₁與組成的平面S₁和由攝像機C₂坐標系原點O₂與組成的平面S₂的交線，直線為由攝像機C₁坐標系原點O₁與組成的平面S₁′和由攝像機C₂坐標系原點O₂與組成的平面S₂′的交線，則在追蹤航天器坐標系下的坐標值可由下面兩個公式聯立得到：