[发明专利]用于交会对接实验平台的相对运动测量系统

权利要求书

1.用于交会对接实验平台的相对运动测量系统，采用LED灯加CCD相机的方法对实验平台相对运动参数进行测量，其特征在于，该测量系统具体包括：

第一步: 根据实验平台与模型确定标志灯布局与相机参数；具体为，在具有相对运动的实验平台的两端分别安装标志灯和相机，通过相机测量标志灯在图像中的位置来解算相对位置和相对姿态，整个标志灯系统采用两组标志灯构成，其中基准面较大的一组是远场标志灯组，安装时其基准面中心位于目标航天器的轴线上，模拟较远距离时的测量标志灯；基准面较小的一组标志灯是近场标志灯组，安装在航天器模型轴线的正下方，用于模拟较近距离时的测量标志灯；

相机参数为：选用黑白相机，分辨率1024*768以上，帧频50赫兹以上；

第二步: 提取相平面内标志灯坐标；首先利用QTSU算法对图像进行二值化，然后在高斯模板对图像中的亮斑进行检查，获取亮斑的坐标，最后在对获得的坐标进行拟合； 然后对由图像处理得到的标志点在照片坐标系中的坐标进行比较，匹配出各坐标对应的标志点；

第三步: 根据运动图像解算实验平台的相对运动参数。

2.根据权利要求1所述的用于交会对接实验平台的相对运动测量系统，其特征在于，匹配出各坐标对应的标志点，具体方法如下：

设标志点                                                （）的像点在照片坐标系中的位置矢量记为，经过处理得到各标志点在照片上的坐标后，依据如下关系进行匹配，

以远场标志灯组的匹配过程为例，标志灯匹配方法为：在远场标志灯组中通过对方向的坐标进行比较，最小的两个是标志点和，最大的两个是和，中间的两个就是和；然后，再比较方向的值，和中小的一个是，和中小的一个是，和中小的一个是，近场标志灯匹配方法类似。

3.根据权利要求1所述的用于交会对接实验平台的相对运动测量系统，其特征在于， 

相对运动参数解算包括如下步骤，

（1）构建测距方程

根据镜头坐标系与空间坐标透视关系，引入下列符号（其中，）

    首先，计算第i个标志灯在镜头坐标系中的距离为

其中f为镜头焦距，y_i与z_i分别为第i个标志灯在图像平面内的y与z坐标，得到三个方向的方向余弦为

进而计算得到第i个标志与第j个标志灯之间的矢量方向余弦为

其中R_i为第i个标志灯在相机坐标系中的距离，R_j类似，D_ij为第i个与第j个标志灯之间的距离；

于是，由n个标志灯组成的标志灯组，其标志灯测距方程可表示为：

                                                              (1)

    当标志灯数目为6时，通过两两组合得到上述测距方程共有15个；

(2)建立目标函数

在图像点坐标包含测量噪声的情况下，通常不存在满足测距方程（1）的解，因此，基于测距方程，建立下列关于残差平方和的目标函数,即

                                                 (2)

式中：为测距方程个数；为权系数； ；

这样，测距求解问题就转为求解目标函数最小值问题：求解测距最佳解，，…，使；

（3）求解测距方程

用Gauss-Newton法进行数值迭代求解， 

Gauss-Newton法迭代的一般形式为：

                                      (3)

其中：，表示测距第次迭代值；表示构成目标函数的测距方程；是的维雅克比矩阵；是由权系数构成的对角矩阵；

（4）确定相对姿态

在获得标志点的测距后，即可应用矢量观测方法确定目标航天器与追踪航天器的相对姿态，已知单位参照矢量与单位观测矢量，即

                                                         (4)

                              (5)

式中

表示标志灯坐标系中由标志点指向标志点的单位矢量，表示相机坐标系中由标志点指向标志点的单位矢量，则有

                                                                     (6)

其中A为标志灯坐标系与相机坐标系的坐标变换矩阵，这样求解相对姿态问题就转化为如何由若干观测矢量和参考矢量求解矩阵；

（5）确定相对位置

在求得标志点对应的测距后，根据其影像点的坐标在相机坐标系中的位置矢量，求得它在相机坐标系中的位置矢量，即 

                                                       (7)

在矩阵确定后，即可获得各标志点相对位置矢量，即

                                     (8)

是标志灯在其安装坐标系中的位置矢量，

相对位置矢量可取为各标志点相对位置矢量的平均值，即

                                                                     (9)

其中为标志点个数。