[發明專利]一種基于圖像特征的航天器單目視覺姿態估計方法

在審

• 申請號: 202110274979.1
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113129371A
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 胡慶雷;龍宸溶;鄭建英;郭雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06T7/73
• 分類號: G06T7/73
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于圖像特征的航天器單目視覺姿態估計方法，利用目標航天器的星箭對接環結構與太陽能帆板結構聯合定姿，星箭對接環提供圓特征，可利用圓的單個投影圖像求解星箭對接環所在平面的法向量；太陽能帆板提供矩形特征，基于平行線消失點原理求解太陽能帆板的旋轉軸方向向量；根據太陽能帆板旋轉軸的方向向量與星箭對接環所在平面的法向量垂直的特性，唯一確定星箭對接環所在平面的法向量及中心坐標，由此得到目標航天器相對于跟跟蹤航天器完整的相對位姿，并能夠在考慮旋轉翼的情況下實現對非合作目標航天器獲取完整的相對姿態參數，上述方法計算簡單，評估準確，具有良好的工程價值。

技術領域

本發明涉及自主在軌服務技術中非合作目標航天器的視覺測量技術領域，尤其涉及一種基于圖像特征的航天器單目視覺姿態估計方法。

背景技術

自主在軌服務是指通過空間智能服務航天器來實現“延長衛星、平臺、空間站附屬艙和空間運載器壽命和能力”的空間任務。研究自主在軌服務技術，有助于降低航天器運行成本，推動航天事業的可持續發展，具有巨大的社會經濟效益以及良好的發展前景。

自主在軌服務已被列為我國科技創新2030重大項目。在軌服務的對象有相當一部分屬于非合作航天器，如失效衛星、太空垃圾等，一般表現為如下特點：(1)未安裝用于輔助測量的合作標識；(2)無法利用星間鏈路向外傳輸自身信息；(3)處于失控翻滾的運動狀態。非合作航天器的位姿獲取作為自主在軌服務的關鍵技術，是在軌服務技術的重點發展方向之一，其研究具有重要的理論價值與工程意義。

目前，非合作目標位姿測量敏感器主要分為單目相機、雙目相機和激光雷達三類。與雙目相機和激光雷達相比，單目相機視覺導航可確保在低功率和質量要求下快速確定姿勢。基于單目相機的位姿測量技術，主要檢測目標航天器表面所具備的某種特定的結構(如矩形、三角形或圓)，例如，星箭對接環、發動機噴嘴可以提供圓信息，航天器天線可以提供三角形信息，太陽能帆板、衛星本體可以提供矩形信息。然而，單目視覺用單圓定姿會有二義性，目前已有的解決方法有：在測量設備上安裝激光測距儀，用激光測距儀的距離信息改進單目單圓定位方法，解決了兩組解的判定問題，但是激光測距儀的安裝增加了成本，提高了對負載的要求；或者，采用圓外一已知距離的點作為補充信息，通過引入歐式空間中距離不變性作為約束去除二值性，但圓外一已知距離的點約束性太強，不具有普適性。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種基于圖像特征的航天器單目視覺姿態估計方法，用以獲取非合作目標航天器相對于跟蹤航天器的位置與姿態信息，為后續相對運動規劃和控制建立基礎。

本發明提供的一種基于圖像特征的航天器單目視覺姿態估計方法，包括如下步驟：

S1：建立描述航天器姿態的坐標系，包括像素坐標系、圖像坐標系、攝像機坐標系、世界坐標系、星箭對接環所在平面坐標系以及太陽能帆板所在平面坐標系，并計算各坐標系之間的轉換關系；

S2：對跟蹤航天器上單目相機獲得的圖像進行中值濾波；

S3：利用快速橢圓檢測方法，對中值濾波后的圖像進行處理，確定星箭對接環所在橢圓的一般函數；

S4：利用幾何法對星箭對接環所在橢圓的一般函數進行求解，獲得攝像機坐標系下星箭對接環所在平面的法向量和中心坐標；

S5：對中值濾波后的圖像進行霍夫變換，檢測所述圖像中的所有直線段，從檢測出的直線段中找到太陽能帆板所在平面的四邊形，計算消失點像素坐標，推導在攝像機坐標系下太陽能帆板旋轉軸的方向向量；

S6：根據攝像機坐標系下太陽能帆板旋轉軸方向向量和星箭對接環所在平面法向量垂直的特性，消除單圓定姿二義性，唯一確定星箭對接環所在平面的法向量和中心坐標；

S7：根據唯一確定的星箭對接環所在平面的中心坐標計算目標航天器相對于跟蹤航天器的位移向量，根據唯一確定的星箭對接環所在平面的法向量和太陽能帆板旋轉軸方向向量計算目標航天器相對于跟蹤航天器的旋轉矩陣。