[发明专利]大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，属于空间机器人在轨服务技术领域和计算机视觉领域。

背景技术

位于地球静止轨道(GEO)的卫星，因其相对于地球表面始终是静止的，并且可覆盖约40％的地球面积，因此它在通讯、气象、导航等领域得到了广泛的应用。据统计，在全球每年发射的卫星中，约有2.5％的卫星未能正确入轨，然而在正确入轨的卫星中又有6％-8％由于机械故障等原因导致卫星失效(Sullivan B R,Akin D L.A survey of serviceable space-craft failures[R].Reston,VA,USA:AIAA,2001.)。这些失效的卫星不仅造成了巨大的经济损失，同时还占据了宝贵的GEO轨道资源。

为了最大限度的降低因卫星故障或失效而造成的损失，各航天大国正在积极发展基于空间机器人的在轨服务技术。这项技术可对空间发生故障的航天器进行在轨修复和维护，而不是通过发射新的航天器来进行替代；通过对发生故障的航天器进行维护和载荷升级，可有效解决航天器的故障、延长其使用寿命、增强其系统能力。

然而，对GEO轨道的航天器进行在轨服务是有很大难度的。由于发生故障的GEO航天器一般没有专门安装的用于测量的标志器、用于通信的星间链路和用于硬连接的对接接口，无法为在轨服务提供辅助的合作条件。所以这些类型的航天器被归类为“非合作目标”。实现与非合作目标从远距离跟踪接近直至近距离的停靠，是在轨服务得以实施的重要保障。然而GEO卫星的体积、重量、功耗通常会设计得较大，庞大的外形尺寸会给超近距离的相对测量带来很大的难度。当服务航天器接近到一定距离后，光学敏感器受视场角限制有可能无法观测到大尺寸目标卫星的全貌，甚至一些可识别的特征也超出了视场范围。因此本发明将对相关关键技术进行深入研究，提出一种基于双目协作视觉对超近距离下大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，以解决大尺寸非合作目标由于没有用于测量的标志器且体积庞大导致难以测量其位姿的技术问题。

为达上述目的，本发明提供的方法是一种基于双目协作视觉对超近距离下大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，其基本构思是：根据调查已有大尺寸非合作目标的特点，选用矩形特征作为识别对象；利用两台相机协同测量大尺寸非合作目标的矩形特征，每台相机只拍摄矩形特征的部分区域，然后将两台相机的图像信息进行融合以得到整个矩形特征的信息；以及根据图像处理算法和相应的位置测量算法进而解算出非合作目标的相对位置和姿态。该方法不要求在大尺寸非合作目标上安装用于辅助测量的合作标志器，也无需知道大尺寸非合作目标的几何尺寸，而是直接以大尺寸非合作目标自身的部件作为识别对象。

本发明具体的技术方案如下：

一种大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法，其包括以下步骤：

在所述非合作目标上选择一个矩形特征；

通过两个相机对所述矩形特征的不同区域进行图像采集，获得包含所述矩形特征的第一、第二顶点的图像A和包含所述矩形特征的第三、第四顶点的图像B；

对图像A、B分别进行图像处理，提取与所述矩形特征的边对应的直线；

用提取到的所述直线计算所述第一至第四顶点的图像坐标；

用所述第一至第四顶点的图像坐标计算其在各自相机坐标系下的三维坐标；

坐标变换，将第一至第四顶点的三维坐标统一到同一坐标系下；以及

用同一坐标系下第一至第四顶点的三维坐标求解所述矩形特征的位姿，该位姿即为所述非合作目标的位姿。

在上述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法中，优选地，对图像A、B进行的图像处理包括：用于减弱噪声及保留图像中微小锐利细节的图像滤波步骤；用于从滤波后的图像获取图像边沿信息的边沿检测步骤；用于从获取的边沿信息中提取直线的直线提取步骤；以及用于从提取的直线中识别与所述矩形特征的边对应的直线的识别步骤。

在上述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法中，优选地，所述图像滤波步骤采用中值滤波算法，所述边沿检测步骤采用Canny算法，所述直线提取步骤采用霍夫变换。

在上述的大尺寸非合作目标的相对位姿测量方法中，优选地，所述识别步骤通过图像中的复数个参考点辅助识别与所述矩形特征的边对应的直线，其中一个参考点位于与所述矩形特征对应的矩形区域内，其余参考点位于所述矩形区域外，且所述矩形区域外的各个参考点与所述矩形区域内的参考点的连线对应与矩形的各边相交。