[发明专利]一种非合作航天器上太阳能帆板三角架结构的位姿自主测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非合作航天器上太阳能帆板三角架结构的位姿自主测量方法，属于航天器在轨服务技术领域。

背景技术

随着太空活动日益频繁，由于发射失误或通信天线展开失败产生的失效或废弃卫星越来越多，这些失效卫星不仅造成了巨大的经济损失，还占用了宝贵的轨道资源，给其他卫星的运行造成威胁。为了尽可能的挽回损失或净化轨道环境，以卫星维修、生命延长及太空垃圾清除为目的在轨服务技术越来越受重视(崔乃刚，王平，郭继峰，等.空间在轨服务技术发展综述[J].宇航学报.2007,28(4):33-39)。在轨服务过程中，通常需要先测得目标航天器的位置与姿态信息，这些航天器大多和地面控制端失去了信息交流，运动状态未知，且机构上没有安装用于辅助测量的合作标志器和特征块，称为非合作目标。对于此类目标位姿的测量，只能利用目标上的自然特征，其测量误差与难度都远远比合作目标的位姿测量要大。

针对非合作航天器上不同部件的位姿测量方法，各国都开展了大量的研究。文献(Inaba N,Oda M,Asano M.Rescuing a stranded Satellite in Space—experimental robotic capture of non-cooperative Satellites[J].Transactions of the Japan Society for Aero-nautical and Space Sciences.2006,48(162):213-220.)提出一种针对航天器的星箭对接环部件进行位姿测量的方法，该方法事先假定目标航天器外形、尺寸及质量等都已知。文献(徐文福,梁斌,李成.基于立体视觉的航天器相对位姿测量方法与仿真研究[J].宇航学报,2009,30(4):1-8.)以太阳能帆板三角架为识别目标，提出将非合作航天器图像下传到地面，利用人机交互的方式为追踪航天器提供人工合作信息完成特征提取与位姿解算。文献(Du X D,Liang B,et a1.Pose measurement of large non-cooperative satellite based on collaborative cameras.Acta Astronautica,2011,68(11)：2047-2065.)也是通过人机交互的方式，选取太阳能帆板矩形框架为目标对象，利用双目相机对较大的非合作航天器进行位姿测量。

综上所述，目前虽然对于航天器相对位姿测量的整体研究很多，但专门针对航天器特征识别的研究较少。现有为数不多的特征识别也大多采用人机交互的方法，通过将远程拍摄到的图片下传到地面主控端，通过人工手动选取目标参考点，实现特征结构的实时定位与跟踪，这种方法受到传输时延、传输可靠性的影响较大，系统将不稳定，而且由于需要地面人员的直接参与，其自主性和实时性不高。大多需要人的远程操控，其自主性和实时性不高，且测量结果受传输时延、传输可靠性的影响大，系统不稳定。因此，提出一种非合作航天器上太阳能帆板三角架结构的位姿自主测量方法，以获取近距离交会阶段非合作航天器的相对位姿，是非常必要和迫切的。

发明内容

本发明为解决现有非合作航天器位姿测量的自主性和实时性差、系统不稳定以及传输时延大等问题，进而提供了一种非合作航天器上太阳能帆板三角架结构的位姿自主测量方法，主要步骤包括基于单目视觉的图像预处理、基于滑动Hough变化以及三角形内切圆特性的特征结构自主识别、以及基于P4P算法的相对位姿测量。该方法无需人工干预，也无需在目标上安置标识器，而是以航天器自身的典型部件作——太阳能帆板三角支架作为识别对象，实现非合作航天器与摄像机相对位姿的自主测量。

技术方案

为解决上述问题，一种非合作航天器上太阳能帆板三角架结构的位姿自主测量方法所采用的技术方案是：

步骤1：摄像机拍摄图片，对原图像进行滤波、二值化，Canny算法提取边缘等预处理；

步骤2：采用基于滑动窗口Hough变化以及三角形内切圆的特征结构自主识别算法，得到三角架上特征点的图像坐标；:

步骤3：结合P4P算法以及已知的航天器尺寸与特征结构，计算出由旋转矩阵与平移矩阵表示的相对位姿；

步骤4：将估测的姿态信息转换成旋转角与平移距离的表示方式，与激光跟踪仪测量的准确值作对比，分析误差原因。

有益效果