一种在轨航天器表面异常状况智能检测方法及其系统技术方案

本发明专利技术提供一种在轨航天器表面异常状况智能检测系统，包括：二维成像传感装置、三维成像传感装置、智能照明装置以及激光测距机，其中，二维成像传感装置、三维成像传感装置均安装于空间机器人的末端执行器上；智能照明装置包括照明光源、多自由度运动机构以及数据处理单元，照明光源可以根据需要发出不同颜色的光并安装于多自由度运动机构上，多自由度运动机构安装于空间机器人的末端执行器上，数据处理单元包括数字信号处理电路；激光测距机，用于控制空间机器人的末端执行器与被观测目标间的距离。本发明专利技术提供的技术方案功能设计较为完善，能够满足航天在轨服务相关应用的需求，且有效提高了各类数据处理算法的环境适应性，具有较高的智能化水平。

An intelligent detection method and system for spacecraft surface abnormal situation on orbit

The invention provides an intelligent detection system for the surface abnormality of an orbiting spacecraft, which comprises a two-dimensional imaging sensor, a three-dimensional imaging sensor, an intelligent lighting device and a laser rangefinder. The two-dimensional imaging sensor and a three-dimensional imaging sensor are all installed on the end-effector of a space robot. The illumination device includes illumination light source, multi-degree-of-freedom motion mechanism and data processing unit. The illumination light source can emit different colors of light according to needs and be installed on the multi-degree-of-freedom motion mechanism. The multi-degree-of-freedom motion mechanism is installed on the end-effector of the space robot. The data processing unit includes digital signal processing electricity. A laser range finder used to control the distance between the end effector of a space robot and the observed target. The technical scheme provided by the invention has perfect function design, can satisfy the requirements of space on-orbit service related applications, and effectively improves the environmental adaptability of various data processing algorithms, and has high intelligence level.

【技术实现步骤摘要】
一种在轨航天器表面异常状况智能检测方法及其系统
本专利技术涉及空间机器人应用领域，尤其涉及一种在轨航天器表面异常状况智能检测方法及其系统。
技术介绍
随着我国空间技术的进一步发展，在轨服务技术的研发已提上议事日程。在轨服务技术就是指在太空中通过人与机器，或两者协同完成涉及延长航天器运载寿命及能力的空间装配、维护、维修等的空间操作任务。目前，在在轨服务应用领域的研究主要集中在空间机器人末端执行机构的设计方面，而在空间机器人的典型应用领域，特别是带有一定智能化水平应用系统的设计方面，仍然存在一定的不足。一方面，对空间应用环境的分析不足。在在轨环境下，除了微重力的影响外，光照、各类电磁辐射、高能带电粒子体、空间微流星体、空间碎片、地球中性大气层等均会对航天器的正常工作产生影响。在上述各类应用中，传统上对微重力、辐射，以及空间碎片的关注度较高，而目前的研究对光照、地球中性大气层对在轨维护作业影响方面的关注度相对偏低。而实际情况是，在轨服务任务中，越来越多的使用成像传感的方式收集信息，光照、空间辐射等因素对成像传感器的应用影响显著。另一方面，智能化应用技术水平较低。由于航天领域传统上更关注机械、力学、材料等传统学科领域的应用问题，而对人工智能等新兴学科关注有限，导致智能化应用在航天领域发展较为缓慢。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种在轨航天器表面异常状况智能检测方法及其系统，综合采用二维成像传感系统、三维成像传感系统、智能照明系统以及激光测距装置，实现一种在轨航天器表面故障的智能检测方法，并综合利用图像处理、模式识别技术，实现对不同类型在轨航天故障的智能识别与报警，从而解决无法满足航天在轨服务相关应用的需求，环境适应性较低，智能化水平较低的问题。本专利技术提出一种在轨航天器表面异常状况智能检测系统，包括：二维成像传感装置、三维成像传感装置、智能照明装置以及激光测距机，其中，所述二维成像传感装置，包括一台或者多台相机，并安装于空间机器人的末端执行器上；所述三维成像传感装置，安装于所述空间机器人的末端执行器上；所述智能照明装置包括照明光源、多自由度运动机构以及数据处理单元，所述照明光源可以根据需要发出不同颜色的光并安装于所述多自由度运动机构上，所述多自由度运动机构安装于所述空间机器人的末端执行器上，所述数据处理单元包括数字信号处理电路；所述激光测距机，用于控制所述空间机器人的末端执行器与被观测目标间的距离。优选的，所述相机包括：可见光相机、近红外相机、红外相机、紫外相机中的一种或者多种组合。优选的，所述三维成像传感装置包括：单一的激光雷达、结构光三维重建装置、光栅相位三维重建装置、双目机器视觉系统、多目机器视觉系统中的一种或者多种组合。优选的，所述照明光源包括：单一的发光二极管照明装置、有机发光二极管照明装置、激光照明装置中的一种或者多种组合，所述照明光源可发出光的不同颜色包括红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、琥珀色中的一种或者多种。优选的，所述照明光源与所述多自由度运动机构或所述数据处理单元之间均采用有线或无线的方式通信连接。另一方面，本专利技术还提供一种在轨航天器表面异常状况智能检测方法，其中，所述方法包括：利用安装于空间机器人末端执行器上的二维成像传感装置检测在轨航天器表面出现的机械结构、仪器设备或表面蒙皮的异常状况；利用安装于所述空间机器人末端执行器上的三维成像传感装置检测所述在轨航天器表面出现的机械机构无法正常打开的故障、表面有效载荷及测控系统装置严重变形的故障或表面蒙皮被破坏的故障；利用安装于所述空间机器人末端执行器上的智能照明装置照明所述在轨航天器的表面，并通过智能照明控制提高被观察的在轨航天器表面典型部位的照明效果；利用激光测距机控制所述空间机器人末端执行器与被观测目标间的距离。优选的，所述利用安装于空间机器人末端执行器上的二维成像传感装置检测在轨航天器表面出现的机械结构、仪器设备或表面蒙皮的异常状况的步骤具体包括：针对所述在轨航天器的特定部位并采集所述特定部位的二维图像；计算所述二维图像中的图像特征；根据所计算的图像特征进行异常的分类识别计算；根据对所述二维图像中出现的机械结构或仪器设备的异常状况的计算，进行异常报警。优选的，所述利用安装于所述空间机器人末端执行器上的三维成像传感装置检测所述在轨航天器表面出现的机械机构无法正常打开的故障、表面有效载荷及测控系统装置严重变形的故障或表面蒙皮被破坏的故障的步骤具体包括：根据所述在轨航天器表面机构已知的三维结构图，通过均匀采样的方式获得各个机构正常工作时的三维均匀点云数据；利用所述三维成像传感装置测量所述在轨航天器表面特定位置处的三维点云数据；将测量得到的所述三维点云数据与三维模型均匀采样生成的点云数据进行匹配计算，最终判断测量得到的所述三维点云数据与三维模型生成的点云数据之间的差别；将测量得到的所述三维点云数据进行拟合，得到所测量在轨航天器表面特定位置处的连续三维结构图；根据计算得到的测量点云与生成点云间的差别结果，并辅助人工对所生成的特定位置处的三维结构图的判读，进行在轨航天器外表面异常状况的报警。优选的，所述智能照明控制包括手动控制，处于后端的用户可通过有线或无线的手动控制方式控制智能照明各个单元的照明输出亮度与照明方向。优选的，所述智能照明控制包括自动控制，其中，自动控制的方法包括基于二维图像分析的照明效果控制方法，所述基于二维图像分析的照明效果控制方法的步骤具体包括：利用智能照明装置遍历执行多种典型照明控制方式，在执行每一种典型照明控制方式时，利用二维成像传感装置拍摄并记录被照明区域相关的二维图像；对于采集到的一系列二维图像采用照明效果评估图像特征对各个图像进行照明效果评估；根据照明效果评估的结果进行遍历图像照明效果的排序，并将照明效果最好的一幅图所对应的典型照明控制方式作为最终的照明控制方式；执行所确定的最终的照明控制方式。优选的，所述自动控制的方法还包括基于三维立体图像分析的照明效果控制方法，所述基于三维立体图像分析的照明效果控制方法的步骤具体包括：利用三维成像传感装置及相关的数据处理单元采集并获取待照明的所述在轨航天器表面的三维重建数据；针对所述三维重建数据并结合所述在轨航天器的空间位置、太阳光照辐射强度、地球漫反射辐射强度、其它天体的杂光、其它航天器的反射光、所述在轨航天器自身材料的反光特性、智能照明装置的典型照明输出模式，采用计算机视景仿真方式在系统内部仿真出不同照明条件下的三维照明效果图；从上述仿真出的不同照明条件下的三维照明效果图中挑选一幅照明效果最优的图，并将照明效果最优的图所对应的控制方式作为最终的照明控制方式；执行所确定的最终的照明控制方式。本专利技术提供的技术方案具有以下优点：(1)所设计系统功能完善，实用性强。所述系统综合采用二维成像传感器与三维成像传感器进行在轨航天器表面故障的自动检测，既能够对形状复杂的各种天线、传感器等载荷进行观测与分析，也能够对较为简单的太阳能帆板、航天器表面蒙皮等进行破损检测与分析。上述分析涵盖了在轨航天器在轨期间可能发生的绝大多数故障状况，因此，系统功能设计较为完善，能够满足航天在轨服务相关应用的需求；(2)所设计系统环境适应性强，可靠性高。所述系统主要通过二维、三维图像对在轨航天本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在轨航天器表面异常状况智能检测系统，其特征在于，所述系统包括：二维成像传感装置、三维成像传感装置、智能照明装置以及激光测距机，其中，所述二维成像传感装置，包括一台或者多台相机，并安装于空间机器人的末端执行器上；所述三维成像传感装置，安装于所述空间机器人的末端执行器上；所述智能照明装置包括照明光源、多自由度运动机构以及数据处理单元，所述照明光源可以根据需要发出不同颜色的光并安装于所述多自由度运动机构上，所述多自由度运动机构安装于所述空间机器人的末端执行器上，所述数据处理单元包括数字信号处理电路；所述激光测距机，用于控制所述空间机器人的末端执行器与被观测目标间的距离。

【技术特征摘要】
1.一种在轨航天器表面异常状况智能检测系统，其特征在于，所述系统包括：二维成像传感装置、三维成像传感装置、智能照明装置以及激光测距机，其中，所述二维成像传感装置，包括一台或者多台相机，并安装于空间机器人的末端执行器上；所述三维成像传感装置，安装于所述空间机器人的末端执行器上；所述智能照明装置包括照明光源、多自由度运动机构以及数据处理单元，所述照明光源可以根据需要发出不同颜色的光并安装于所述多自由度运动机构上，所述多自由度运动机构安装于所述空间机器人的末端执行器上，所述数据处理单元包括数字信号处理电路；所述激光测距机，用于控制所述空间机器人的末端执行器与被观测目标间的距离。2.如权利要求1所述的在轨航天器表面异常状况智能检测系统，其特征在于，所述相机包括：可见光相机、近红外相机、红外相机、紫外相机中的一种或者多种组合。3.如权利要求1所述的在轨航天器表面异常状况智能检测系统，其特征在于，所述三维成像传感装置包括：单一的激光雷达、结构光三维重建装置、光栅相位三维重建装置、双目机器视觉系统、多目机器视觉系统中的一种或者多种组合。4.如权利要求1所述的在轨航天器表面异常状况智能检测系统，其特征在于，所述照明光源包括：单一的发光二极管照明装置、有机发光二极管照明装置、激光照明装置中的一种或者多种组合，所述照明光源可发出光的不同颜色包括红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、琥珀色中的一种或者多种。5.如权利要求1所述的在轨航天器表面异常状况智能检测系统，其特征在于，所述照明光源与所述多自由度运动机构或所述数据处理单元之间均采用有线或无线的方式通信连接。6.一种在轨航天器表面异常状况智能检测方法，其特征在于，所述方法包括：利用安装于空间机器人末端执行器上的二维成像传感装置检测在轨航天器表面出现的机械结构、仪器设备或表面蒙皮的异常状况；利用安装于所述空间机器人末端执行器上的三维成像传感装置检测所述在轨航天器表面出现的机械机构无法正常打开的故障、表面有效载荷及测控系统装置严重变形的故障或表面蒙皮被破坏的故障；利用安装于所述空间机器人末端执行器上的智能照明装置照明所述在轨航天器的表面，并通过智能照明控制提高被观察的在轨航天器表面典型部位的照明效果；利用激光测距机控制所述空间机器人末端执行器与被观测目标间的距离。7.如权利要求6所述的在轨航...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘皓挺，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11