[发明专利]非合作目标柔性附着多节点融合估计方法

权利要求书

1.非合作目标柔性附着多节点融合估计方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、由节点间重合观测区域内角点特征的像元、像线构建多视点几何光学信息，在柔性连接约束下利用多视点几何光学信息构建节点构型估计问题，实现协同附着多节点间构型的准确估计；

步骤一实现方法为，

节点构型表示为

{^Lx^ij∈^LX^F||(i,j)∈ε} (1)

其中，^LX^F为节点构型，^Lx^ij＝(^Lp^ij,^Lv^ij，^Lq^ij)为组成构型的元素，代表节点构型抽象成的图，代表节点，ε代表节点间的连接关系，与节点i相邻节点的集合表示为

节点搭载相机的观测方程为

其中，为归一化后的特征像元、像线坐标，(xⁱ,yⁱ,zⁱ)为节点i在附着点坐标系下的位置，c_ij为节点i在附着点坐标系下姿态转换矩阵中的元素，为特征在附着点坐标系下的三维坐标；考虑各节点的相机存在重合观测区域，通过同名特征点的像素坐标两两建立图像间的对极约束关系

其中，和为同一特征在两视点图像中的像元、像线坐标，为本质矩阵，其表征两相机间的位姿关系

其中，为节点间的相对位置，为节点间的相对姿态；联立多组同名特征形成的方程对本质矩阵进行求解，特征分解得到两相机间的相对位姿关系

由式(7)和式(8)，得到节点间相对姿态和相对位置矢量间的约束；值得注意的是，节点间相对姿态的具体取值由特征可见性唯一判定；

其中，Rⁱ为本体坐标系，|·|为绝对值的数学符号，为取模长的数学符号，为节点i本体系下节点i到节点j的位置矢量方向；

同时，由节点间的柔性连接关系还得到节点间相对距离的不等式约束

其中，为标称状态下节点间的相对距离，为结构允许的节点间相对距离变化范围；

式(9)和式(10)为节点构型状态估计提供有效信息，即节点构型的后验估计需要满足

s.t.

其中，J为节点构型无约束最优估计的损失函数，为动力学得到的构型先验估计，为的构型先验协方差，式(12)为式(9)定义的等式约束，式(13)为式(10)定义的不等式约束，式(13)所定义的不等式约束通过有效集法转化为等式约束

上式的具体形式为

式(11)-(13)是一个带约束的最优估计问题，通过拉格朗日乘子法构建约束下节点构型最优估计问题为

其中，^*J为约束下节点构型最优估计问题的损失函数，λ₁和λ₂为拉格朗日乘子，上标(κ)表示矩阵的第κ行，n₁和n₂为约束个数；对以上最优估计问题进行求解，估计得到的节点构型转入步骤二或步骤三以实现各节点的状态融合估计；

步骤二、将小天体表面形貌特征在各节点相机中的像素坐标作为观测量，当某节点观测信息不足时，利用节点构型将其他节点的观测转化到该节点观测坐标系中，将各节点观测进行融合；

步骤二实现方法为，

柔性探测器有m个测量节点，节点动力学方程为

其中，和为第i个节点的状态，为控制量，为噪声项；节点受到的控制加速度主要包括执行机构推力加速度和柔性结构作用加速度两个部分，其被惯性导航敏感器测量

上式中，和为加速度计和陀螺仪的测量值，和为惯性导航敏感器的测量噪声；除惯性敏感器外，各节点上还搭载有导航相机，导航相机的观测量为

其中，yⁱ为导航相机的测量量，为特征像素坐标，h为节点距离附着平面的高度，w_c为测量噪声，测量噪声w_c为高斯白噪声；各节点相机测量方程为

其中，yⁱ为观测量，f为相机焦距，为噪声项，为特征点与节点i相机间的视线矢量，pⁱ为节点i在附着点坐标系下的位置矢量，为特征点在附着点坐标系下的位置矢量，R^i,c为相机坐标系与附着点坐标系间的姿态转换矩阵；

利用步骤一所估计的节点构型将其他节点的观测转化为该节点观测坐标系中，进行各节点观测融合，观测信息转化过程为

其中，y^j→i为节点j转化到节点i的观测，为节点j的齐次观测量，为节点j本体系到节点i本体系的姿态转换矩阵，为节点i本体系下节点i到节点j的位置矢量方向；

观测融合后，节点i的观测量y^i*为

其中，yⁱ为节点i自身的观测，y^j→i为相邻节点观测转化而来的观测；

步骤三、各节点对自身状态进行估计，然后结合步骤一所估计的节点构型，采用估计协方差最小准则对各节点状态估计结果进行融合，提高柔性附着过程中各节点自主导航性能，进而提高非合作目标柔性附着协同导航的性能，有利于非合作目标在小天体表面实现安全附着；

步骤三实现方法为，

考虑到节点动力学和观测方程均具有较强的不确定性，采用无损卡尔曼滤波器对节点状态进行估计；由无损变换计算得到k-1时刻的sigma采样点为

其中，为k-1时刻节点i状态的sigma采样点，n为的状态维数，λ为尺度参数，ι为过程变量；

无损卡尔曼滤波器的状态预测过程为

无损卡尔曼滤波器的状态更新过程为

通过坐标变换将节点自身的状态估计转化为对相邻节点的状态估计；考虑到状态估计异步，通过无损变换进行状态递推将不同时刻的估计值进行同步处理，状态估计的转化过程为

其中，为由τ时刻状态估计结果动力学递推得到的k时刻构型估计，为由ζ时刻状态估计结果动力学递推得到的k时刻估计；同理，协方差估计的转化过程为

其中，为由ζ时刻状态估计协方差动力学递推得到的k时刻状态估计协方差；

通过协方差交叉融合的方式对各节点的状态进行融合估计

其中，π_ij为加权系数，由协方差的迹加权得到

利用多节点光学观测信息估计节点间相对状态，进而对各节点观测数据或状态进行融合，提高柔性附着过程中各节点自主导航性能，进而提高非合作目标柔性附着协同导航的性能，有利于非合作目标在小天体表面实现安全附着。

2.如权利要求1所述的非合作目标柔性附着多节点融合估计方法，其特征在于：为了减小时变不确知节点构型对多节点信息融合的影响，在柔性连接约束下利用多视点几何光学信息构建节点构型估计问题，所述估计问题选用估计的最小二乘问题。