自旋穩(wěn)定空間飛行器轉動運動參數(shù)的攝像測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自旋穩(wěn)定空間飛行器轉動運動參數(shù)的攝像測量方法，要解決的技術問題是只通過由2臺攝像機構成的雙目測量系統(tǒng)而不依靠其他設備對目標飛行器轉動參數(shù)進行高精度測量。采取提取出目標飛行器表面的特征點，用雙目交會測量的方法得到特征點的位置坐標和速度矢量，將觀測量帶入由剛體運動學基礎理論推導出的方程組中，解此方程組得到目標轉動參數(shù)。本發(fā)明采用基于攝像測量的方法對空間飛行器轉動參數(shù)進行測量，解算結果的精度較高。
【專利說明】自旋穩(wěn)定空間飛行器轉動運動參數(shù)的攝像測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及自旋穩(wěn)定空間飛行器運動特征參數(shù)在軌辨識以及攝像測量【技術領域】，進一步是指通過攝像測量的方法實時測量自旋穩(wěn)定空間飛行器表面特征點的位置坐標和速度矢量，然后計算出空間飛行器自旋角速度大小和自旋軸方向，為對其的捕獲、抓取提供引導信息。
【背景技術】
[0002]旋轉角速度大小和轉軸在空間的指向是自旋穩(wěn)定空間飛行器重要的運動參數(shù)。空間飛行器在太空中要完成特定的任務，就必須具有定向性，自旋穩(wěn)定定向是最常用并且容易實現(xiàn)的定向方式之一。絕大多數(shù)空間飛行器都可以看作是剛體，自旋穩(wěn)定定向即飛行器繞其轉動慣量最大的慣量主軸以一定角速度旋轉。根據(jù)動量矩守恒定律，剛體在不受外力矩作用時，其動量矩保持不變，即剛體轉軸在空間的指向保持不變。
[0003]攝像測量是一種非接觸、被動、實時、高精度的測量方法。通過攝像機對被測目標進行可見光、紅外等的成像，通過對圖像進行處理、分析得到觀測量，并解算得到最終的測量結果。應用攝像測量方法對非合作目標進行觀測時不需要在目標表面粘貼標識，不需要使用激光，因此攝像測量方法可以在不被對方察覺的情況下對待測目標進行持續(xù)的觀測，具有很好的隱蔽性。
[0004]在軌飛行器的運動參數(shù)是在軌飛行器的重要屬性之一。理論分析表明，空間飛行器只有繞其轉動慣量最大的慣量主軸旋轉才是穩(wěn)定的，并且是漸進穩(wěn)定的，這樣自旋穩(wěn)定目標飛行器的轉動狀態(tài)就是唯一的了。能夠實時、準確地測量出目標飛行器自旋角速度大小和自旋軸的方向，是對目標飛行器進行觀測的重要組成部分之一。由于空間環(huán)境的特殊性，空間飛行器的運動不同于地面上的物體。對空間目標，尤其是非合作目標運動參數(shù)的測量難度更大。目標飛行器的轉動參數(shù)可以用來規(guī)劃追蹤飛行器的路徑，以及為追蹤飛行器對目標飛行器的操作提供相關信息。本發(fā)明以攝像測量方法為基礎，結合剛體運動學基本理論，形成了一套可以測量空間自旋穩(wěn)定飛行器的自旋角速度大小和自旋軸指向的方法。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明是一種基于攝像測量技術的空間自旋穩(wěn)定飛行器轉動角速度大小和自旋軸方向測量方法和系統(tǒng)。在追蹤飛行器上設置由兩臺攝像機構成的追蹤星上雙目攝像測量系統(tǒng)，在追蹤飛行器接近目標飛行器的過程中實時對目標飛行器成像，并通過特征點提取、匹配算法，實時測量目標表面特征點的位置和速度，通過自旋穩(wěn)定空間飛行器轉軸參數(shù)測量，從而計算出目標飛行器的角速度大小和方向，為規(guī)劃追蹤飛行器路徑以及對目標飛行器的捕獲提供引導信息。具體過程如下:
1.1將2臺攝像機間隔一段距離安裝在追蹤飛行器測量平臺上，同時標定攝像機內參，在測量過程中追蹤飛行器位置、速度和姿態(tài)已知；
1.2對目標飛行器進行實時跟拍，得到2臺攝像機分別對目標所成的像；1.3分別在同一時刻攝像測量系統(tǒng)所成的2幅圖像上提取特征點，并將2幅圖像中相同的特征點進行匹配；
1.4通過雙目交會測量的方法得到每個特征點在世界坐標系中的位置坐標和速度矢；1.5將同一時刻觀測得到的目標表面多個特征點位置坐標和速度矢量帶入由剛體運動學基本理論推導出來的方程組，用最小二乘方法解此方程組得到目標飛行器的角速度大小和方向，解算時可以用多個時刻的數(shù)據(jù)聯(lián)立方程組以及多次測量取均值的方法來提高精度。
[0006]所述特征點提取、匹配方法為:
特征點的提取與匹配已有一些成熟的方法，如Forstner特征點提取算法、Sift特征點描述算法、最小二乘圖像匹配(LSM)原理等。接下來以Forstner特征點提取算法為例進行介紹。
[0007]Forstner特征提取算法是一種計算各像素的Robert梯度和以像素 為中心的灰度協(xié)方差矩陣，在圖像中找出具有盡可能小并且接近于圓的誤差橢圓的點
作為特征點的方法。具體步驟如下:
O計算各個像素點的Robert梯度
【權利要求】
1.一種自旋穩(wěn)定空間飛行器轉動運動參數(shù)的攝像測量方法，其特征在于，在追蹤飛行器上設置由兩臺攝像機構成的追蹤星上雙目攝像測量系統(tǒng)，在追蹤飛行器接近目標飛行器的過程中實時對目標飛行器成像，并通過特征點提取、匹配算法，實時測量目標表面特征點的位置和速度，通過自旋穩(wěn)定空間飛行器轉軸參數(shù)測量，計算出目標飛行器的角速度大小和方向， 具體過程如下: 1.1將2臺攝像機間隔一段距離安裝在追蹤飛行器測量平臺上，同時標定攝像機內參，在測量過程中追蹤飛行器位置、速度和姿態(tài)已知； 1.2對目標飛行器進行實時跟拍，得到2臺攝像機分別對目標所成的像； 1.3分別在同一時刻攝像測量系統(tǒng)所成的2幅圖像上提取特征點，并將2幅圖像中相同的特征點進行匹配； 1.4通過雙目交會測量的方法得到每個特征點在世界坐標系中的位置坐標和速度矢； 1.5將同一時刻觀測得到的目標表面多個特征點位置坐標和速度矢量帶入由剛體運動學基本理論推導出來的方程組，用最小二乘方法解此方程組得到目標飛行器的角速度大小和方向，解算時用多個時刻的數(shù)據(jù)聯(lián)立方程組以及多次測量取均值的方法來提高精度。
2.根據(jù)權利要求1所述的自旋穩(wěn)定空間飛行器轉動運動參數(shù)的攝像測量方法，其特征在于，所述特征點提取、匹配方法具體步驟如下: O計算各個像素點的Robert梯度
3.根據(jù)權利要求1所述的自旋穩(wěn)定空間飛行器轉動運動參數(shù)的攝像測量方法，其特征在于，所述追蹤星上雙目攝像測量系統(tǒng)構成方式是: 攝像機對待測點的成像用投影矩陣來表示，待測點在世界坐標系中的坐標為 ? 2'),在攝像機坐標系中的坐標為(，在圖像坐標系中的坐標為(U)，攝像機的主點為等效焦距為旋轉矩陣為Λ，平移向量為，則投影矩陣M為:
4.根據(jù)權利要求1所述的自旋穩(wěn)定空間飛行器轉動運動參數(shù)的攝像測量方法，其特征在于，所述自旋穩(wěn)定空間飛行器轉軸參數(shù)測量方法是: 根據(jù)剛體運動學基礎理論，剛體上點的運動分解為隨剛體質心的平動與繞質心的轉動，目標飛行器表面特征點= 在世界坐標系中的位置坐標為
【文檔編號】G01C11/00GK104006803SQ201410275451
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權日:2014年6月20日
【發(fā)明者】尚陽, 謝堂濤, 徐志強 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學