[發(fā)明專利]非合作目標(biāo)近距離相對導(dǎo)航視覺測量系統(tǒng)指標(biāo)評估方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810291243.3
• 申請日: 2018-03-30
• 公開（公告）號: CN108897029B
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱衛(wèi)紅;王大軼;史紀(jì)鑫;葛東明;鄧潤然;鄒元杰;劉紹奎
• 申請（專利權(quán)）人: 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部
• 主分類號: G01S19/53
• 分類號: G01S19/53
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 武瑩

一種非合作目標(biāo)近距離相對導(dǎo)航視覺測量系統(tǒng)指標(biāo)評估方法，首先將雙目相機(jī)安裝在衛(wèi)星本體，并確定衛(wèi)星的位置與姿態(tài)，然后確定雙目相機(jī)相對于衛(wèi)星本體的安裝位置與姿態(tài)，并建立雙目視場，最后進(jìn)行非合作目標(biāo)模擬，得到深度分辨率、視場占有率，完成非合作目標(biāo)近距離相對導(dǎo)航視覺測量系統(tǒng)指標(biāo)評估。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天器相對導(dǎo)航及航天器視覺等研究領(lǐng)域，特別是一種非合作目標(biāo)近距離相對導(dǎo)航視覺測量系統(tǒng)指標(biāo)評估方法。

背景技術(shù)

航天技術(shù)是國家科技實(shí)力、經(jīng)濟(jì)實(shí)力和軍事實(shí)力的綜合體現(xiàn)，決定著國家的國際地位、國防安全等因素，隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，深空探測、在軌維修維護(hù)是后續(xù)航天器研究的重要領(lǐng)域。深空探測中航天器探測行星時(shí)的著陸、小行星抓捕采樣，在軌維修維護(hù)中非合作目標(biāo)的停靠、失效航天器及空間碎片的抓捕等都涉及一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)—非合作目標(biāo)的近距離導(dǎo)航問題。

在近距離相對導(dǎo)航中，視覺測量方法是其中一種重要的技術(shù)途徑。視覺相對導(dǎo)航又分為單目視覺相對導(dǎo)航和基于雙目視覺的相對導(dǎo)航。單目視覺導(dǎo)航是采用單目相機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行被動(dòng)成像，利用相機(jī)目標(biāo)和目標(biāo)的幾何關(guān)系解算相對位置與姿態(tài)，在獲得特征點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)后，利用特征點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系和目標(biāo)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，以透視投影方程為基礎(chǔ)確定方程組，迭代求解后可得到相對位姿；立體視覺即采用一個(gè)以上的相機(jī)測量目標(biāo)上的特征點(diǎn)，可以得到唯一確定的目標(biāo)特征點(diǎn)在航天器的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，然而再通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求得相對位姿。在單目視覺算法中的基本方程為二次非線性方程，無解析解，需迭代求解，收斂性和求解速度影響其實(shí)時(shí)性，而立體視覺測量方法算法簡單，測量精度高，在近距離相對導(dǎo)航中有著更加廣泛的應(yīng)用前景。此外，由于非合作目標(biāo)的先驗(yàn)知識缺乏，沒有事先安裝的特征點(diǎn)用于識別，基于單目對非合作目標(biāo)進(jìn)行近距離相對導(dǎo)航比較困難，而立體視覺可以通過對目標(biāo)進(jìn)行特征提取、特征匹配后，對目標(biāo)進(jìn)行三維重建，獲得相對位姿，而不需要任何先驗(yàn)知識，是針對非合作目標(biāo)近距離導(dǎo)航的理想方法。

然而在設(shè)計(jì)針對非合作目標(biāo)的近距離立體視覺導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，需要綜合評估視覺系統(tǒng)的可觀測范圍、可觀測期間焦平面的利用率、視覺系統(tǒng)的分辨率(三維重建與位姿識別的精度)等，因此需要建立一種針對非合作目標(biāo)的近距離相對導(dǎo)航的雙目視覺系統(tǒng)的性能評估技術(shù)，為后續(xù)非合作目標(biāo)的近距離視覺導(dǎo)航的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理樣機(jī)研制提供評估方案和支撐。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種非合作目標(biāo)近距離相對導(dǎo)航視覺測量系統(tǒng)指標(biāo)評估方法，建立了一種系統(tǒng)評估針對非合作目標(biāo)近距離導(dǎo)航與測量的雙目視覺系統(tǒng)性能的評估框架，提出了針對非平行雙目立體視覺系統(tǒng)的精度評估方法，為后續(xù)的系統(tǒng)仿真分析、原理樣機(jī)與在軌搭載方案設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種非合作目標(biāo)近距離相對導(dǎo)航視覺測量系統(tǒng)指標(biāo)評估方法，包括如下步驟：

(1)將雙目相機(jī)安裝在衛(wèi)星本體，并確定衛(wèi)星的位置與姿態(tài)；

(2)確定雙目相機(jī)相對于衛(wèi)星本體的安裝位置與姿態(tài)，并建立雙目視場；

(3)進(jìn)行非合作目標(biāo)模擬，得到深度分辨率、視場占有率，完成非合作目標(biāo)近距離相對導(dǎo)航視覺測量系統(tǒng)指標(biāo)評估。

所述的確定衛(wèi)星的位置與姿態(tài)的方法為

(1)將雙目立體視覺相機(jī)安裝在衛(wèi)星上，建立衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系；

(2)建立衛(wèi)星的本體坐標(biāo)系，在衛(wèi)星未作姿態(tài)機(jī)動(dòng)時(shí)，衛(wèi)星本體坐標(biāo)系與衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系重合；

(3)根據(jù)軌道坐標(biāo)系到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣確定確定衛(wèi)星位置、姿態(tài)。

所述的確定雙目相機(jī)相對于衛(wèi)星本體的安裝位置與姿態(tài)，并建立雙目視場的方法為：

基于相機(jī)相對于衛(wèi)星本體的安裝位置矢量在雙目相機(jī)本體坐標(biāo)下建立雙目視場，得到雙目立體視覺相機(jī)的視場坐標(biāo)系、雙目相機(jī)視場焦距記、基線距離、相元尺寸、分辨率。