[发明专利]一种基于三共面点的航天器相对姿态确定方法

说明书

技术领域

本发明属于导航技术领域，具体涉及利用视觉技术实现航天器相对姿态的确定。

背景技术

随着国际空间合作的日益加深，航天器相对导航技术也不断发展起来。作为相对导航的重要组成部分，相对姿态的确定对提高航天器的自主性和生存能力、减轻工作负担具有重要意义。

相对姿态确定就是研究某一航天器本体坐标系相对另一航天器本体坐标系的空间姿态，涉及的参数较多，方法一般较为复杂。目前，不存在能够直接测量航天器间相对姿态的敏感器，因此只能通过间接测量，并通过一定的估计算法获取航天器间相对姿态。符合此原理的测量方式主要有两种，即基于视觉的测量和基于类GPS的测量。对视觉相对测量来说，其估计精度较高，不过有效作用距离较短；而类GPS相对测量的作用范围较远、不依赖外部信息点，同时具有很高的保密性和生存能力，但是算法较复杂。

视觉测量由于成本低、测量精度高，应用更加广泛。对于航天器相对导航的视觉测量问题，通常在追踪航天器上安装相机，在目标航天器上设置观测标志，以确定航天器间相对位置和姿态参数。迄今为止，已有多种视觉敏感器用于导航测量系统。CCD图像敏感器具有敏感度高、光谱响应宽，线性度好、动态范围大、结构紧凑、体积小、重量轻、寿命长和可靠性高等优点，性价比较高，因此大多数视觉系统都采用CCD敏感器。

目前，基于视觉的航天器相对姿态确定方法有以下两种：

1.利用了一种新的光学敏感器及一些特殊的光源作为视觉导航系统，这些特殊的光源作为目标的特征点。该视觉导航敏感器由一个置于广角透镜焦平面的位置敏感器(PSD)组成。目标上的点光源发出的光经过广角透镜聚焦到位置敏感器上，通过位置敏感器算法确定其在位置敏感器上的像点中心。当多个非共线的点光源的在位置敏感器上成像时，通过导航算法就能确定相对姿态。

2.基于单目视觉的航天器相对姿态算法。设置四个非共面特征光标，将相对姿态确定问题转化为像平面空间内的非线性优化问题。

本发明提出了一种利用安装在追踪航天器上的单台CCD相机对目标航天器上的三个共面的标志点进行测量来完成相对姿态确定的方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种航天器相对姿态确定技术，结合视觉传感、数字图像处理等相关技术，为实现航天器的自主相对导航奠定基础，该方法实时性好且精度较高。

本发明基于三个共面点的单目视觉技术对航天器的相对姿态参数进行估计，然后给出相应的控制输入，直至航天器达到预定的状态。为达到上述目的，如图1所示，本发明的技术方案具体是这样实现的：

1.标志点设计；

2.选取标志点颜色阈值并进行分割；

3.确定标志点质心；

4.由三个标志点坐标计算三角形面积，并进行俯仰调节；

5.根据质心点坐标确定相对姿态。

本发明有以下一些技术特征：

(1)步骤1所述的标记点设计要根据任务要求设计在合理且有效的位置上，我们选择了三个相同的橙色标志点，并将他们分布在一个正三角形的三个顶点上；

(2)步骤2所述的标志点阈值分割是对HIS空间中的H、S值进行统计得出离线的分割阈值的；

(3)步骤3所述的分割三个标志点采用的是垂直投影与水平投影相结合进行分割；

(4)步骤3所述的确定标志点质心是采用的质心法，若在光照变化明显情况下容易丢失一个标志点，则根据三角形的几何特点估算出丢失掉的标志点的中心坐标；

(5)步骤4所述的俯仰调节是根据达到预定状态时三个标志点组成的三角形面积最大进行实时控制的；

(6)步骤5所述的确定相对姿态是根据正三角形的性质确定出来的。

本发明提出了一种基于视觉的航天器相对姿态确定方法，此方法切实可行，并具有很高的稳定性及抗干扰能力，对相关问题的方案设计及算法选择有一定的借鉴意义。

附图说明

图1为相对姿态确定流程图；

图2为标志点设计；

图3为标志点图像二值化；

图4为标志点可能的分布区域；

图5为标志点目标状态和初始状态。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

本发明实现的系统平台是由装有可绕水平、垂直轴转动带三根杆的圆盘的3DCrane装置模拟追踪航天器，由固定有升降台且装有可绕水平轴转动平动以及可绕垂直轴转动带三个孔的圆盘的智能机器人模拟目标航天器，采用CCD摄像机和图像采集卡作为图像的采集系统。

1.设计标志点