[发明专利]一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置

说明书

本发明公开了一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置，包括激光光源、参考臂、激光距离探测器、跟踪转镜装置、CCD成像模块、数据处理模块。通过新方法建立单目视觉模块获取的图像序列与激光测距模块获得的单点距离信息的相互关系，融合红外激光光源获取的高精度深度信息和高分辨率的光学成像模块获取的图像信息，解算出最终非合作目标在中近距离下的高精度位姿信息。该装置的采用光学主被动测量方案组合，在保证高帧频探测的基础上大大缓解了数据处理压力，尤其适合空间或水下运动目标观测。具有解算快；测量精度高，测量范围广；结构简单，体积、质量、功耗小等优点，非常机器人等相关领域应用。

技术领域

本发明属于非合作目标位姿测量领域，特别是一种光学主被动融合的非合作目标远位姿测量装置。

背景技术

在空间机器人的运动和操作过程中，对目标的识别和测量是其中的关键技术。由于非合作无法提供有效的合作信息，它没有安装通讯应答机制或其他主动传感器的空间目标，其它机器人不能通过电子讯问或发射信号等方式对此类目标识别或定位。在目标运动状态和空间结构未知的情况下，通过视觉等手段对目标进行识别、追踪，并对其几何结构和位姿进行精确测量，为进一步的操作提供条件。

传统的扫描式激光雷达的测量方法，虽然能够通过获取目标表面密集的三维点云信息，最终实现目标的三维重构，但其测量精度与距离平方成反比，且仅适用于近距离运动平缓的目标测量。目标通常采用Besl等提出的ICP(Iterative Closest Point)三维点云匹配算法实现对非合作目标的位姿测量。目前许多研究者正在尝试利用扫描式激光雷达图像获取非合作目标的位姿信息。加拿大Neptec公司开发的LCS(Lase Camera System)系统利用基于ICP算法的3D LASSO(three-dimensional laser camera system algorithms forspacecraft servicing on-orbit) 软件能够实现非合作航天器的位姿解算，测量精度与距离平方成反比，适用于近距离运动平缓的目标测量。但目前各种处理方法军不可避免的在测量工作中会存在数据扭曲问题。

双目视觉模拟人眼成像原理，通过测量两幅图的视差，能够获取目标的三维信息。P.Jasiobedzk提出首先围绕目标运动，通过双目相机系统建立目标三维模型，并确定目标的相对位置；然后通过几何结构探索的方法确定目标的姿态。近距离跟踪过程中通过三维数据迭代最近点算法(Iterative Closest Point)进行目标姿态参数的更新，目标相对位置通过双目相机系统三角测量得到。以色列海法理工学院Segal等也建立了基于双目视觉的非合作航天器状态测量系统，首先建立目标特征点的观测模型，之后利用扩展卡尔曼滤波方法实现了对非合作航天器的位姿测量。但由于双目视觉测量精度严重依赖两相机相对位置及夹角，且成像区域仅存在于两相机的交叠区域。很难满足在空间和水下机器人对非合作目标的探测中受探测器尺寸、探测距离及精度的要求。

单目视觉是最常见也是最简单的光学传感器，已是大部分航天器上的标准装备。国外研究者将基于单目相机的机器人“即时定位和绘图(SLAM)”方法进行扩展，并成功应用到。目标的测量中。如斯坦福大学空间机器人实验室的Augenstein等仅采用贝叶斯估计方法估计姿态参数，通过陀螺仪、GPS等多种定位测量方式，采用最优化理论估计位置参数，可用于检查和维修损坏卫星或水下科学仪器，也可用于与翻滚卫星的自主交会对接。并成功在蒙特利湾水上研究院进行了外场试验。但单目视觉无法直接获取目标的深度信息，且在中远距离的测量中，缺乏对深度信息的灵敏性，目前主要用于近距离及超近距离的合作目标测量。在非合作目标位姿测量中需要与其他多种传感器配合使用，在独立系统应用方面受到限制。