[发明专利]双介质下基于双目视觉的目标姿态测量方法

说明书

技术领域

本发明属于图像信息技术领域，涉及在不同介质中光线传播会产生折射的双介质条件下，对目标物体位姿的测量方法，可用于航天器在水下模拟太空环境中进行实验时，对航天器姿态的测量。

背景技术

航天员进行太空活动是我国载人航天技术发展的一个关键步骤。利用航天员的出舱活动可以完成观测地面目标、在轨维修和组装大型空间设施等任务。但是，航天员的出舱活动又是极其昂贵和带有极大风险性的空间作业任务。美国航宇局的资料表明，空间出舱活动1小时，在地面至少要完成100多小时的模拟练习。在失重状态下，人体不能保持平衡，动作姿态完全失控，全身也难以稳定，呈现飘浮的自由态，身体任何局部姿态的改变，都将有可能引起全身的转动，并且由于航天员进行出舱活动时要通过绳索与航天器连接在一起的，因此航天员的出舱活动会对航天器的运动姿态产生影响。本发明主要研究的是航天员在进行模拟实验时的航天器姿态的测量，并通过分析研究得出的数据对航天员的活动做进一步指导，同时对航天器的姿态进行修正。

一般来说，所谓人机整合舱外活动的模拟失重试验是在地面条件下模拟出一种微重力的环境后，将人、舱外航天服和载人航天器看作为一个系统整体，分析影响人和航天器运动姿态的因素，据此提出相关的设计措施。

评价载人航天器采用的各种机构在失重环境下能否工作正常、性能是否可靠、运动姿态是否符合要求等，但是若要在水下完全逼真地再现空间失重，必须提供六自由度运动，模型和空间物体在大小和形状上要相似，模型的质量和惯性矩必须复现空间运动体的质量和惯性矩，水下模拟的影响因素必须减至可接受的水平。所以对航天器位姿的测量研究，不仅可以检验中性浮力水槽所提供的模拟环境是否符合要求，同时得出的位姿数据对真实情况下航天员的出舱活动，航天器的运行状况分析都具有极为重要的指导意义。

当前对航天器姿态研究的主要方法有：

(1)利用GPS进行目标载体的姿态测量方法，如Interferometric attitude determination with the Global Positioning System，Guidance and Control Conference，Palo Alto，Calif，August 7-9，1978，Technical Papers.A78-50159 22-01 New York，American Institute of Aeronautics and Astronautics，Inc.，1978，p.96-102.Research supported by Lockheed Missiles and Space；

但是利用GPS对目标载体进行姿态测量时，由于信号在传播过程中受到电离层，对流层，多路径和相对论效应等多方面的影响，对目标载体的定位精度一直很难达到理想的情况。

(2)利用激光雷达跟踪与测量方法，如Ulf Larsson，Johan Forsberg，Ake Wernersson，On Robot Navigation Using Identical Landmarks：Integrating Measurements from a Time-of-Flight Laser，Proceedings of International Conference on Multi-sensor Fusion for Intelligent Systems，pp.17-26，1994；

但是利用激光雷达跟踪方法对目标进行姿态测量时，由于激光雷达的波束极窄，在空间搜索目标非常困难，直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率，只能在较小的范围内搜索、捕获目标，并对目标姿态进行测量。

(3)利用双目视觉测量方法，如张庆君胡修林-基于双目视觉的航天器间相对位置和姿态的测量方法，宇航学报第29卷第1期，文章编号1000.1328(2008)。