[發明專利]非合作目標柔性附著多節點融合估計方法

有效

• 申請號: 202110686620.5
• 申請日: 2021-06-21
• 公開（公告）號: CN113408623B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 崔平遠;陸曉萱;朱圣英;梁子璇;葛丹桐;徐瑞
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G01C21/24;G01C21/00;G06F30/20;G06F111/04
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.非合作目標柔性附著多節點融合估計方法，其特征在于：包括如下步驟，

步驟一、由節點間重合觀測區域內角點特征的像元、像線構建多視點幾何光學信息，在柔性連接約束下利用多視點幾何光學信息構建節點構型估計問題，實現協同附著多節點間構型的準確估計；

步驟一實現方法為，

節點構型表示為

{^Lx^ij∈^LX^F||(i,j)∈ε} (1)

其中，^LX^F為節點構型，^Lx^ij＝(^Lp^ij,^Lv^ij，^Lq^ij)為組成構型的元素，代表節點構型抽象成的圖，代表節點，ε代表節點間的連接關系，與節點i相鄰節點的集合表示為

節點搭載相機的觀測方程為

其中，為歸一化后的特征像元、像線坐標，(xⁱ,yⁱ,zⁱ)為節點i在附著點坐標系下的位置，c_ij為節點i在附著點坐標系下姿態轉換矩陣中的元素，為特征在附著點坐標系下的三維坐標；考慮各節點的相機存在重合觀測區域，通過同名特征點的像素坐標兩兩建立圖像間的對極約束關系

其中，和為同一特征在兩視點圖像中的像元、像線坐標，為本質矩陣，其表征兩相機間的位姿關系

其中，為節點間的相對位置，為節點間的相對姿態；聯立多組同名特征形成的方程對本質矩陣進行求解，特征分解得到兩相機間的相對位姿關系

由式(7)和式(8)，得到節點間相對姿態和相對位置矢量間的約束；值得注意的是，節點間相對姿態的具體取值由特征可見性唯一判定；

其中，Rⁱ為本體坐標系，|·|為絕對值的數學符號，為取模長的數學符號，為節點i本體系下節點i到節點j的位置矢量方向；

同時，由節點間的柔性連接關系還得到節點間相對距離的不等式約束

其中，為標稱狀態下節點間的相對距離，為結構允許的節點間相對距離變化范圍；

式(9)和式(10)為節點構型狀態估計提供有效信息，即節點構型的后驗估計需要滿足

s.t.

其中，J為節點構型無約束最優估計的損失函數，為動力學得到的構型先驗估計，為的構型先驗協方差，式(12)為式(9)定義的等式約束，式(13)為式(10)定義的不等式約束，式(13)所定義的不等式約束通過有效集法轉化為等式約束

上式的具體形式為

式(11)-(13)是一個帶約束的最優估計問題，通過拉格朗日乘子法構建約束下節點構型最優估計問題為

其中，^*J為約束下節點構型最優估計問題的損失函數，λ₁和λ₂為拉格朗日乘子，上標(κ)表示矩陣的第κ行，n₁和n₂為約束個數；對以上最優估計問題進行求解，估計得到的節點構型轉入步驟二或步驟三以實現各節點的狀態融合估計；

步驟二、將小天體表面形貌特征在各節點相機中的像素坐標作為觀測量，當某節點觀測信息不足時，利用節點構型將其他節點的觀測轉化到該節點觀測坐標系中，將各節點觀測進行融合；

步驟二實現方法為，

柔性探測器有m個測量節點，節點動力學方程為

其中，和為第i個節點的狀態，為控制量，為噪聲項；節點受到的控制加速度主要包括執行機構推力加速度和柔性結構作用加速度兩個部分，其被慣性導航敏感器測量

上式中，和為加速度計和陀螺儀的測量值，和為慣性導航敏感器的測量噪聲；除慣性敏感器外，各節點上還搭載有導航相機，導航相機的觀測量為

其中，yⁱ為導航相機的測量量，為特征像素坐標，h為節點距離附著平面的高度，w_c為測量噪聲，測量噪聲w_c為高斯白噪聲；各節點相機測量方程為

其中，yⁱ為觀測量，f為相機焦距，為噪聲項，為特征點與節點i相機間的視線矢量，pⁱ為節點i在附著點坐標系下的位置矢量，為特征點在附著點坐標系下的位置矢量，R^i,c為相機坐標系與附著點坐標系間的姿態轉換矩陣；

利用步驟一所估計的節點構型將其他節點的觀測轉化為該節點觀測坐標系中，進行各節點觀測融合，觀測信息轉化過程為

其中，y^j→i為節點j轉化到節點i的觀測，為節點j的齊次觀測量，為節點j本體系到節點i本體系的姿態轉換矩陣，為節點i本體系下節點i到節點j的位置矢量方向；

觀測融合后，節點i的觀測量y^i*為

其中，yⁱ為節點i自身的觀測，y^j→i為相鄰節點觀測轉化而來的觀測；

步驟三、各節點對自身狀態進行估計，然后結合步驟一所估計的節點構型，采用估計協方差最小準則對各節點狀態估計結果進行融合，提高柔性附著過程中各節點自主導航性能，進而提高非合作目標柔性附著協同導航的性能，有利于非合作目標在小天體表面實現安全附著；

步驟三實現方法為，

考慮到節點動力學和觀測方程均具有較強的不確定性，采用無損卡爾曼濾波器對節點狀態進行估計；由無損變換計算得到k-1時刻的sigma采樣點為

其中，為k-1時刻節點i狀態的sigma采樣點，n為的狀態維數，λ為尺度參數，ι為過程變量；

無損卡爾曼濾波器的狀態預測過程為

無損卡爾曼濾波器的狀態更新過程為

通過坐標變換將節點自身的狀態估計轉化為對相鄰節點的狀態估計；考慮到狀態估計異步，通過無損變換進行狀態遞推將不同時刻的估計值進行同步處理，狀態估計的轉化過程為

其中，為由τ時刻狀態估計結果動力學遞推得到的k時刻構型估計，為由ζ時刻狀態估計結果動力學遞推得到的k時刻估計；同理，協方差估計的轉化過程為

其中，為由ζ時刻狀態估計協方差動力學遞推得到的k時刻狀態估計協方差；

通過協方差交叉融合的方式對各節點的狀態進行融合估計

其中，π_ij為加權系數，由協方差的跡加權得到

利用多節點光學觀測信息估計節點間相對狀態，進而對各節點觀測數據或狀態進行融合，提高柔性附著過程中各節點自主導航性能，進而提高非合作目標柔性附著協同導航的性能，有利于非合作目標在小天體表面實現安全附著。

2.如權利要求1所述的非合作目標柔性附著多節點融合估計方法，其特征在于：為了減小時變不確知節點構型對多節點信息融合的影響，在柔性連接約束下利用多視點幾何光學信息構建節點構型估計問題，所述估計問題選用估計的最小二乘問題。