[發(fā)明專利]一種基于單目視覺的空間非合作目標(biāo)相對狀態(tài)估計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910593684.3
• 申請日: 2019-07-03
• 公開（公告）號: CN110186465B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孟中杰;郭新程;黃攀峰;張夷齋;張帆;劉正雄
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24
• 代理公司: 西安凱多思知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61290
• 代理人: 劉新瓊

本發(fā)明提供了一種基于單目視覺的空間非合作目標(biāo)相對狀態(tài)估計方法，采用單目相機(jī)實(shí)現(xiàn)空間非合作目標(biāo)最終逼近過程中的相對導(dǎo)航，并且通過在觀測方程加入約束的方式的加速濾波收斂；建立目標(biāo)與服務(wù)航天器之間相對運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，建立觀測方程，其中加入目標(biāo)特征點(diǎn)之間的約束關(guān)系方程，設(shè)計濾波器，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)相對狀態(tài)的估計。本發(fā)明由于采用單目相機(jī)實(shí)現(xiàn)了最終逼近空間非合作目標(biāo)的相對導(dǎo)航，相比于雙目相機(jī)(立體視覺)和激光成像雷達(dá)，單目相機(jī)具有體積質(zhì)量小、功耗低，經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)勢；并且將相對特征滿足的約束加入觀測方程，濾波器收斂更快。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天器相對導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種目標(biāo)相對狀態(tài)估計方法。

背景技術(shù)

為了能夠?qū)Ψ呛献髂繕?biāo)實(shí)施在軌服務(wù)，在近距離接近空間目標(biāo)時需要估計目標(biāo)與服務(wù)航天器相對位置和姿態(tài)。空間非合作目標(biāo)大多具有以下特征：表面無特定的光學(xué)識別標(biāo)志；無法進(jìn)行通訊；目標(biāo)模型未知等。這就給此類目標(biāo)接近操作過程中的相對位姿估計帶來了很大的困難。

從相對導(dǎo)航可使用的視覺測量敏感器來看，有單目相機(jī)、雙目相機(jī)(立體視覺)和激光成像雷達(dá)等，相比于后兩者，單目相機(jī)具有技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單、體積質(zhì)量小、功耗低等優(yōu)勢，在經(jīng)濟(jì)上更具靈活性和經(jīng)濟(jì)性，但是也存在不能直接獲得深度信息的缺陷。雖然已有文獻(xiàn)證明了相機(jī)偏置安裝時對位置相關(guān)狀態(tài)的可觀性，但是使用單目相機(jī)估計目標(biāo)相對狀態(tài)仍然是一件困難的事情。

實(shí)際上，未知非合作目標(biāo)的相對狀態(tài)估計問題可以類比SLAM問題，即同時估計目標(biāo)的相對位姿和恢復(fù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)，對于翻滾目標(biāo)，一般還需估計目標(biāo)的慣量主軸等信息。對此，文獻(xiàn)中的一類方法是以目標(biāo)表面特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)作為觀測量，通過建立特征點(diǎn)的運(yùn)動模型及目標(biāo)的動力學(xué)模型，設(shè)計濾波算法對目標(biāo)的相對狀態(tài)進(jìn)行估計。但其存在的主要問題是濾波收斂較慢。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于單目視覺的空間非合作目標(biāo)相對狀態(tài)估計方法。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是采用單目相機(jī)實(shí)現(xiàn)空間非合作目標(biāo)最終逼近過程中的相對導(dǎo)航，并且通過在觀測方程加入約束的方式的加速濾波收斂。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟一：建立目標(biāo)與服務(wù)航天器之間相對運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型；

定義如下坐標(biāo)系：

(1)地心慣性坐標(biāo)系I：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，z軸指向地球北極，x軸指向春分點(diǎn)，y軸由右手法則確定；

(2)LVLH坐標(biāo)系H：坐標(biāo)系原點(diǎn)位于服務(wù)航天器的質(zhì)心，x軸由地心指向服務(wù)航天器質(zhì)心，z軸垂直于軌道面且與軌道角動量方向一致，y軸由右手法則確定；

(2)服務(wù)航天器本體坐標(biāo)系A(chǔ)：坐標(biāo)原點(diǎn)固定在服務(wù)航天器質(zhì)心上，坐標(biāo)軸與服務(wù)航天器慣量主軸重合；

(3)目標(biāo)本體坐標(biāo)系B：坐標(biāo)原點(diǎn)固定在目標(biāo)質(zhì)心上，坐標(biāo)軸與目標(biāo)的慣量主軸重合，規(guī)定最小慣量主軸為x軸，最大慣量主軸y軸。

(5)相機(jī)坐標(biāo)系C：坐標(biāo)原點(diǎn)固定在相機(jī)光心上，在服務(wù)航天器本體坐標(biāo)系上的位置向量為d，為已知固定量，z軸沿相機(jī)光軸方向，x軸y軸平行于成像平面；

目標(biāo)本體坐標(biāo)系B相對于服務(wù)航天器本體坐標(biāo)系A(chǔ)的相對姿態(tài)用四元數(shù)q表示，四元數(shù)q_v＝[q₁ q₂ q₃]^T為四元數(shù)向量部分，q₄為四元數(shù)的標(biāo)量部分，與四元數(shù)q對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

其中[q×]為向量q＝[q₁ q₂ q₃]^T的反對稱矩陣：