[發(fā)明專利]一種非合作航天器上太陽能帆板三角架結(jié)構(gòu)的位姿自主測量方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410398179.0
• 申請日: 2014-08-13
• 公開（公告）號: CN104154919A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋荊洲;曹彩秀;孫漢旭;賈慶軒
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24;G01C11/00
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種非合作航天器上太陽能帆板三角架結(jié)構(gòu)的位姿自主測量方法，屬于航天器在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著太空活動日益頻繁，由于發(fā)射失誤或通信天線展開失敗產(chǎn)生的失效或廢棄衛(wèi)星越來越多，這些失效衛(wèi)星不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失，還占用了寶貴的軌道資源，給其他衛(wèi)星的運行造成威脅。為了盡可能的挽回損失或凈化軌道環(huán)境，以衛(wèi)星維修、生命延長及太空垃圾清除為目的在軌服務(wù)技術(shù)越來越受重視(崔乃剛，王平，郭繼峰，等.空間在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展綜述[J].宇航學(xué)報.2007,28(4):33-39)。在軌服務(wù)過程中，通常需要先測得目標航天器的位置與姿態(tài)信息，這些航天器大多和地面控制端失去了信息交流，運動狀態(tài)未知，且機構(gòu)上沒有安裝用于輔助測量的合作標志器和特征塊，稱為非合作目標。對于此類目標位姿的測量，只能利用目標上的自然特征，其測量誤差與難度都遠遠比合作目標的位姿測量要大。

針對非合作航天器上不同部件的位姿測量方法，各國都開展了大量的研究。文獻(Inaba?N,Oda?M,Asano?M.Rescuing?a?stranded?Satellite?in?Space—experimental?robotic?capture?of?non-cooperative?Satellites[J].Transactions?of?the?Japan?Society?for?Aero-nautical?and?Space?Sciences.2006,48(162):213-220.)提出一種針對航天器的星箭對接環(huán)部件進行位姿測量的方法，該方法事先假定目標航天器外形、尺寸及質(zhì)量等都已知。文獻(徐文福,梁斌,李成.基于立體視覺的航天器相對位姿測量方法與仿真研究[J].宇航學(xué)報,2009,30(4):1-8.)以太陽能帆板三角架為識別目標，提出將非合作航天器圖像下傳到地面，利用人機交互的方式為追蹤航天器提供人工合作信息完成特征提取與位姿解算。文獻(Du?X?D,Liang?B,et?a1.Pose?measurement?of?large?non-cooperative?satellite?based?on?collaborative?cameras.Acta?Astronautica,2011,68(11)：2047-2065.)也是通過人機交互的方式，選取太陽能帆板矩形框架為目標對象，利用雙目相機對較大的非合作航天器進行位姿測量。

綜上所述，目前雖然對于航天器相對位姿測量的整體研究很多，但專門針對航天器特征識別的研究較少。現(xiàn)有為數(shù)不多的特征識別也大多采用人機交互的方法，通過將遠程拍攝到的圖片下傳到地面主控端，通過人工手動選取目標參考點，實現(xiàn)特征結(jié)構(gòu)的實時定位與跟蹤，這種方法受到傳輸時延、傳輸可靠性的影響較大，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，而且由于需要地面人員的直接參與，其自主性和實時性不高。大多需要人的遠程操控，其自主性和實時性不高，且測量結(jié)果受傳輸時延、傳輸可靠性的影響大，系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，提出一種非合作航天器上太陽能帆板三角架結(jié)構(gòu)的位姿自主測量方法，以獲取近距離交會階段非合作航天器的相對位姿，是非常必要和迫切的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決現(xiàn)有非合作航天器位姿測量的自主性和實時性差、系統(tǒng)不穩(wěn)定以及傳輸時延大等問題，進而提供了一種非合作航天器上太陽能帆板三角架結(jié)構(gòu)的位姿自主測量方法，主要步驟包括基于單目視覺的圖像預(yù)處理、基于滑動Hough變化以及三角形內(nèi)切圓特性的特征結(jié)構(gòu)自主識別、以及基于P4P算法的相對位姿測量。該方法無需人工干預(yù)，也無需在目標上安置標識器，而是以航天器自身的典型部件作——太陽能帆板三角支架作為識別對象，實現(xiàn)非合作航天器與攝像機相對位姿的自主測量。

技術(shù)方案

為解決上述問題，一種非合作航天器上太陽能帆板三角架結(jié)構(gòu)的位姿自主測量方法所采用的技術(shù)方案是：

步驟1：攝像機拍攝圖片，對原圖像進行濾波、二值化，Canny算法提取邊緣等預(yù)處理；

步驟2：采用基于滑動窗口Hough變化以及三角形內(nèi)切圓的特征結(jié)構(gòu)自主識別算法，得到三角架上特征點的圖像坐標；:

步驟3：結(jié)合P4P算法以及已知的航天器尺寸與特征結(jié)構(gòu)，計算出由旋轉(zhuǎn)矩陣與平移矩陣表示的相對位姿；

步驟4：將估測的姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角與平移距離的表示方式，與激光跟蹤儀測量的準確值作對比，分析誤差原因。

有益效果