用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器制造技术

用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，属于空间飞行器的视觉导航技术领域。本发明专利技术是为了解决视觉导航敏感器的现有动态测试方法存在的试验成本高及误差标定过程复杂的问题。它包括高频红外激光器、光学系统、光源探测器光纤支架、光源探测器光纤、图像输出器、直线位移机构、光学平台、支架、控制器和动力学计算机，动态模拟器与动力学计算机和视觉导航敏感器以快装方式构成闭环系统，用于飞行控制半物理仿真试验验证；控制器从动力学计算机接收飞行器的6个自由度数据，经过数据处理和控制系统计算得到目标在视觉导航敏感器上的坐标，利用映射关系模型得到目标在动态模拟器图像输出器上的坐标。本发明专利技术用于空间视觉导航敏感器的视觉导航。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，属于空间飞行器的视觉导航

技术介绍
视觉导航敏感器是实现空间复杂操作的关键装置。在空间飞行器交会对接、飞行器抓捕、停泊和维修等空间任务中，需要使用视觉导航敏感器对飞行器本体或其执行机构，如机械臂等进行导航和控制。由于视觉导航敏感器研制难度大，测量精度要求高，对空间光环境要求高，工作时间长，所以在视觉导航敏感器正式执行飞行任务前要对其进行充分的地面测试和验证。视觉导航敏感器是空间飞行器与目标相对位置和姿态的测量单元，也是飞行控制系统的反馈单元。视觉导航敏感器动态模拟器可以为视觉导航敏感器提供动态激励源，使飞行控制系统可以完成闭环仿真测试和验证。视觉导航敏感器是空间飞行器或空间飞行器搭载的执行机构在与目标处于逼近阶段的全过程中对目标的相对位置和姿态进行测量的一类光学敏感器。对视觉导航敏感器的功能和性能的测试和验证的方式有三种，分别是静态测试验证、半物理仿真测试验证和全物理仿真测试验证。静态测试验证只能在若干个别工况条件下对视觉导航敏感器进行测试验证，不能实现动态性能测试验证，也不能和动力学计算机构成闭环仿真测试系统。使用9自由度转台和12自由度气浮台可以对视觉导航敏感器进行动态测试，但试验准备时间长，需要对转台的执行误差进行标定，试验过程中误差来源复杂，试验成本高。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决视觉导航敏感器的现有动态测试方法存在的试验成本高及误差标定过程复杂的问题，提供了一种用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器。本专利技术所述用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，它包括高频红外激光器、光学系统、光源探测器光纤支架、光源探测器光纤、图像输出器、直线位移机构、光学平台、支架、控制器和动力学计算机，直线位移机构和支架均设置在光学平台上，支架用于固定视觉导航敏感器；高频红外激光器、光学系统、光源探测器光纤支架、光源探测器光纤和图像输出器均设置于直线位移机构上；光源探测器光纤支架用于固定光源探测器光纤，光源探测器光纤支架位于光学系统输出端的前端，光源探测器光纤支架的轴线与光学系统的轴线重合；高频红外激光器用于为图像输出器提供成像照明；视觉导航敏感器的主光轴与光学系统的主光轴相对应，动力学计算机和控制器通过通信接口连接；控制器包括敏感器照明光源探测器，该敏感器照明光源探测器通过光源探测器光纤检测视觉导航敏感器内部光源的启动与关闭；动态模拟器启动阶段，图像输出器未被照明时，控制器接收动力学计算机输出的目标飞行器的模拟6自由度信息Di，并进行计算获得目标飞行器在视觉导航敏感器像平面上的坐标，再通过映射关系模型得到目标飞行器在图像输出器上的坐标；控制器再根据计算获得的目标飞行器在图像输出器上的坐标生成目标飞行器图像，并在图像输出器上显示；控制器通过光源探测器光纤检测获得视觉导航敏感器内部光源的启动时刻，同时控制高频红外激光器启动照明，使高频红外激光器输出的光束经过匀化后照射在图像输出器上，光束经图像输出器反射后经过光学系统产生平行光束并在视觉导航敏感器像平面上成像，控制器同时控制图像输出器显示目标飞行器图像的时间，实现图像输出器的有效图像输出与视觉导航敏感器内部光源的照明同步；然后，视觉导航敏感器对图像输出器的反射光束实时生成图像，并对该生成图像进行计算，获得目标飞行器的实时6自由度信息Do，动力学计算机将模拟6自由度信息Di和实时6自由度信息Do进行比较，通过计算二者的偏差评价视觉导航敏感器的功能，并在连续工作中对视觉导航敏感器的动态性能进行测试；最后，控制器再通过光源探测器光纤检测视觉导航敏感器内部光源的关闭时刻，控制高频红外激光器关闭照明。所述光学系统在直线位移机构上的出瞳位置，根据视觉导航敏感器对图像输出器首次成像的图像细节锐度评价函数返回值进行调节。所述映射关系模型的获得方法为：图像输出器依次输出三幅校正图像，视觉导航敏感器依次对三幅校正图像进行成像获得三幅对照图像，控制器根据三幅校正图像与三幅对照图像之间的关系，建立映射关系模型。建立映射关系模型的具体方法为：首先，图像输出器输出1阶正向映射图像作为第一幅校正图像，视觉导航敏感器对1阶正向映射图像成像，获得1阶正向映射对照图像采用最大相关法匹配目标，计算从1阶正向映射图像到1阶正向映射对照图像对应目标质心之间的比例位移关系和旋转关系；其次，图像输出器输出5阶正向映射图像作为第二幅校正图像，该5阶正向映射图像为17×17个矩形目标点图像，视觉导航敏感器对5阶正向映射图像成像，获得5阶正向映射对照图像用所述的比例位移关系和旋转关系引导5阶正向映射图像和5阶正向映射对照图像上目标点的一一对应关系，计算从5阶正向映射图像到5阶正向映射对照图像上对应目标质心之间的5阶多项式正向映射模型；最后，图像输出器输出5阶反向映射图像作为第三幅校正图像，该5阶反向映射图像为51×51个矩形目标点图像，视觉导航敏感器对5阶反向映射图像成像，获得5阶反向映射对照图像用所述5阶多项式正向映射模型引导5阶反向映射图像和5阶反向映射对照图像上目标点的一一对应关系，计算从5阶反向映射对照图像到5阶反向映射图像上对应目标质心之间的5阶多项式反向映射模型；该5阶多项式反向映射模型作为所述映射关系模型。视觉导航敏感器的主光轴与光学系统的主光轴安装夹角偏差小于3°，位置偏差小于5mm。本专利技术的优点：本专利技术用于空间飞行器的视觉导航敏感器功能和动态性能试验验证，它与动力学计算机和视觉导航敏感器以快装方式构成闭环系统，用于飞行控制半物理仿真试验验证。控制器从动力学计算机接收飞行器的6个自由度数据，经过数据处理和控制系统计算得到目标在视觉导航敏感器上的坐标，利用映射关系模型得到目标在动态模拟器图像输出器上的坐标。使用多边形逼近方法生成具有子像素精度的圆形点目标，圆形目标质心位置精度达到0.01像素。光源探测器光纤通过对视觉敏感器主动光源检测，控制图像输出器图像输出的时刻和持续的时间，使动态模拟器输出图像与视觉导航敏感器成像时刻同步。本专利技术能够满足主动照明成像式视觉导航敏感器研制中全过程、全条件、全自动的试验和验证的需要，对视觉导航敏感器研制具有广泛的应用前景。本专利技术以快装方式构建对视觉导航敏感器的试验验证环境，并与飞行控制系统构成闭环测试环境。本专利技术的动态模拟器可以自动校正安装误差，能够有效降低视觉导航敏感器的动态测试试验成本，对视觉导航敏感器的研制具有应用意义。附图说明图1是本专利技术所述用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器的结构示意图；图2是光学系统的结构示意图；图3是视觉导航敏感器内部光源的电路结构示意图；图4是图像输出器输出的1阶正向映射图像；图5是视觉导航敏感器对1阶正向映射图像成像，获得的1阶正向映射对照图像；图6是图像输出器输出的5阶正向映射图像；图7是视觉导航敏感器对5阶正向映射图像成像，获得的5阶正向映射对照图像；图8是图像输出器输出的5阶反向映射图像；图9是是视觉导航敏感器对5阶反向映射图像成像，获得的5阶反向映射对照图像；图10是目标飞行器成像后像素的亮度示意图；图11是表1中序号1的内点和外点示意图；图12是表1中序号2的内点和外点示意图；图13是表1中序号3的内点和外点示意图；图14是表1中序号4的内点和外点示意图；图15是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，其特征在于，它包括高频红外激光器(1)、光学系统(2)、光源探测器光纤支架(3)、光源探测器光纤(4)、图像输出器(5)、直线位移机构(6)、光学平台(7)、支架(8)、控制器(10)和动力学计算机(11)，直线位移机构(6)和支架(8)均设置在光学平台(7)上，支架(8)用于固定视觉导航敏感器(9)；高频红外激光器(1)、光学系统(2)、光源探测器光纤支架(3)、光源探测器光纤(4)和图像输出器(5)均设置于直线位移机构(6)上；光源探测器光纤支架(3)用于固定光源探测器光纤(4)，光源探测器光纤支架(3)位于光学系统(2)输出端的前端，光源探测器光纤支架(3)的轴线与光学系统(2)的轴线重合；高频红外激光器(1)用于为图像输出器(5)提供成像照明；视觉导航敏感器(9)的主光轴与光学系统(2)的主光轴相对应，动力学计算机(11)和控制器(10)通过通信接口连接；控制器(10)包括敏感器照明光源探测器，该敏感器照明光源探测器通过光源探测器光纤(4)检测视觉导航敏感器(9)内部光源的启动与关闭；动态模拟器启动阶段，图像输出器(5)未被照明时，控制器(10)接收动力学计算机(11)输出的目标飞行器的模拟6自由度信息Di，并进行计算获得目标飞行器在视觉导航敏感器(9)像平面上的坐标，再通过映射关系模型得到目标飞行器在图像输出器(5)上的坐标；控制器(10)再根据计算获得的目标飞行器在图像输出器(5)上的坐标生成目标飞行器图像，并在图像输出器(5)上显示；控制器(10)通过光源探测器光纤(4)检测获得视觉导航敏感器(9)内部光源的启动时刻，同时控制高频红外激光器(1)启动照明，使高频红外激光器(1)输出的光束经过匀化后照射在图像输出器(5)上，光束经图像输出器(5)反射后经过光学系统(2)产生平行光束并在视觉导航敏感器(9)像平面上成像，控制器(10)同时控制图像输出器(5)显示目标飞行器图像的时间，实现图像输出器(5)的有效图像输出与视觉导航敏感器(9)内部光源的照明同步；然后，视觉导航敏感器(9)对图像输出器(5)的反射光束实时生成图像，并对该生成图像进行计算，获得目标飞行器的实时6自由度信息Do，动力学计算机(11)将模拟6自由度信息Di和实时6自由度信息Do进行比较，通过计算二者的偏差评价视觉导航敏感器(9)的功能，并在连续工作中对视觉导航敏感器(9)的动态性能进行测试；最后，控制器(10)再通过光源探测器光纤(4)检测视觉导航敏感器(9)内部光源的关闭时刻，控制高频红外激光器(1)关闭照明。...

【技术特征摘要】
1.一种用于空间视觉导航敏感器的动态模拟器，其特征在于，它包括高频红外激光器(1)、光学系统(2)、光源探测器光纤支架(3)、光源探测器光纤(4)、图像输出器(5)、直线位移机构(6)、光学平台(7)、支架(8)、控制器(10)和动力学计算机(11)，直线位移机构(6)和支架(8)均设置在光学平台(7)上，支架(8)用于固定视觉导航敏感器(9)；高频红外激光器(1)、光学系统(2)、光源探测器光纤支架(3)、光源探测器光纤(4)和图像输出器(5)均设置于直线位移机构(6)上；光源探测器光纤支架(3)用于固定光源探测器光纤(4)，光源探测器光纤支架(3)位于光学系统(2)输出端的前端，光源探测器光纤支架(3)的轴线与光学系统(2)的轴线重合；高频红外激光器(1)用于为图像输出器(5)提供成像照明；视觉导航敏感器(9)的主光轴与光学系统(2)的主光轴相对应，动力学计算机(11)和控制器(10)通过通信接口连接；控制器(10)包括敏感器照明光源探测器，该敏感器照明光源探测器通过光源探测器光纤(4)检测视觉导航敏感器(9)内部光源的启动与关闭；动态模拟器启动阶段，图像输出器(5)未被照明时，控制器(10)接收动力学计算机(11)输出的目标飞行器的模拟6自由度信息Di，并进行计算获得目标飞行器在视觉导航敏感器(9)像平面上的坐标，再通过映射关系模型得到目标飞行器在图像输出器(5)上的坐标；控制器(10)再根据计算获得的目标飞行器在图像输出器(5)上的坐标生成目标飞行器图像，并在图像输出器(5)上显示；控制器(10)通过光源探测器光纤(4)检测获得视觉导航敏感器(9)内部光源的启动时刻，同时控制高频红外激光器(1)启动照明，使高频红外激光器(1)输出的光束经过匀化后照射在图像输出器(5)上，光束经图像输出器(5)反射后经过光学系统(2)产生平行光束并在视觉导航敏感器(9)像平面上成像，控制器(10)同时控制图像输出器(5)显示目标飞行器图像的时间，实现图像输出器(5)的有效图像输出与视觉导航敏感器(9)内部光源的照明同步；然后，视觉导航敏感器(9)对图像输出器(5)的反射光束实时生成图像，并对该生成图像进行计算，获得目标飞行器的实时6自由度信息Do，动力学计算机(11)将模拟6自由度信息Di和实时6自由度信息Do进行比较，通过计算二者的偏差评价视觉...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏，于丹，赵岩，乔德治，赵巍，唐降龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23