[發明專利]仿真目標位姿獲取方法、基于MBDyn仿真的目標捕獲方法及裝置、航天在軌目標捕獲方法

在審

• 申請號: 202210115285.8
• 申請日: 2022-02-07
• 公開（公告）號: CN114663517A
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 魏承
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06T7/80
• 分類號: G06T7/80;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 張宏威

仿真目標位姿獲取方法、基于MBDyn仿真的目標捕獲方法及裝置,涉及航天器位姿測量及捕獲控制方法領域。針對現有技術中并沒有一種可視化仿真技術，用于對目標的姿態估計以及捕獲方法的可行性進行驗證，為基于視覺伺服的在軌捕獲方案設計提供參考的問題，本申請提供仿真目標抓捕方案，具體的：仿真目標位姿獲取方法，基于通過MBDyn環境建立多體動力學仿真并輸出待捕獲物體的圖像，待捕獲物體貼有平面Aruco碼，包括：相機標定步驟，獲取仿真中使用的相機的內參；標碼識別步驟：識別平面Aruco碼，得到平面Aruco碼對應序列號；位姿求解步驟：通過內參和序列號，得到待捕獲物體的姿態變換矩陣。適合在MBDyn仿真環境下基于ArUco碼對目標的姿態估計以及捕獲方法的仿真中應用。

技術領域

涉及航天器位姿測量及捕獲控制方法領域，具體涉及在MBDyn仿真環境下基于ArUco碼對目標的姿態估計以及捕獲方法。

背景技術

隨著航天任務要求越來越復雜，如何保證衛星在軌穩定運行已成為航天工程與科研工作中迫切需要解決的問題之一。為了提高衛星的在軌運行壽命，盡可能避免遺棄發生故障的衛星，利用空間機器人在軌消旋、捕獲、維修等課題成為了當今航天領域的熱點課題。在軌服務的早期通常是由宇航員在艙外作業完成的，但隨著航天技術的發展這種方法暴露出高成本和高風險的問題，通過空間機器人完成更多的在軌服務操作，提升空間機器人服務能力，將其與各行業、學科的頂尖技術結合已經成為目前航天事業發展的關鍵內容之一。機器人視覺伺服正是解決空間機器人無人自主在軌服務問題的關鍵，利用機器人視覺伺服系統為空間機器人在軌服務提供指令參數是一項研究價值極高的技術。

光學輔助標碼是常用的輔助特征點提取的標識。應對太空中不穩定的光照環境，在目標上貼上ArUco碼可以解決空間光照及航天器表面特征不明顯的問題，有利于特征點提取，降低提取和匹配誤差。不過目前并沒有一種可視化仿真技術，用于對目標的姿態估計以及捕獲方法的可行性進行驗證，為基于視覺伺服的在軌捕獲方案設計提供參考。

發明內容

針對現有技術中并沒有一種可視化仿真技術，用于對目標的姿態估計以及捕獲方法的可行性進行驗證，為基于視覺伺服的在軌捕獲方案設計提供參考的問題，本申請以空間機器人在軌捕獲為任務背景，通過視覺圖像與現實世界的映射關系進行計算求解，對目標的位置、位姿進行預測并為機械臂提供待捕獲物體的狀態，再根據獲得的待捕獲物體的狀態設計抓捕方案，具體的：

仿真目標位姿獲取方法，基于通過MBDyn環境建立多體動力學仿真并輸出待捕獲物體的圖像，所述的待捕獲物體貼有平面Aruco碼，所述的方法包括：

相機標定步驟，獲取仿真中使用的相機的內參；

標碼識別步驟：通過識別所述的平面Aruco碼，得到平面Aruco碼對應序列號；

位姿求解步驟：通過所述的內參和序列號，得到待捕獲物體的姿態變換矩陣。

進一步，所述的相機標定步驟具體為：

通過張正友棋盤格標定法獲取仿真中使用的相機的內參。

進一步，所述的標碼識別步驟具體為：包括：

預處理步驟，對所述的圖像進行預處理，消除光照干擾；

輪廓提取步驟，排除不是平面Aruco碼的輪廓，得到候選輪廓；

特征點提取步驟，采用Shi-Tomasi角點檢測法進行角點的提取，通過所述的角點得到采集圖像和目標圖像的單應性矩陣；

矩陣求解步驟，通過所述的候選輪廓和所述的單應性矩陣，得到平面Aruco碼對應序列號。

進一步，所述的位姿求解步驟具體為：