一种用于空间碎片运动参数的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术属于空间碎片测量技术领域，公开了一种用于空间碎片运动参数的测量方法及系统，获取空间碎片的转动惯量和空间碎片的质心角速度，进而获得转动周期和角动量，并生成视觉控制信号，根据控制信号获得空间碎片图像并分析获得点云数据和视觉离散旋转信息矩阵，进而根据视觉离散旋转信息矩阵获得带有时间标签的数据R，根据角动量获得时间轴上的惯性数据N，最终对角动量、点云数据、数据R和惯性数据N进行融合，获得带有时间和空间位置标签的目标数据。本发明专利技术极大的缩短了对图像进行运算获得最终数据的时间，提高了获取数据的及时性和高效性，进一步提高了用于消旋操作的数据精度，保证了消旋操作的安全可靠性。

A Method and System for Measuring Motion Parameters of Space Debris

【技术实现步骤摘要】
一种用于空间碎片运动参数的测量方法及系统
本专利技术属于空间碎片测量
，尤其涉及一种用于空间碎片运动参数的测量方法及系统。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：随着人类空间活动越来越频繁，对空间环境的影响也越来越严重，太空中残留的火箭末级、失效卫星、航天器解体及碰撞衍生物等大量空间碎片对人类航天事业的发展已构成了巨大威胁，这使得空间碎片的主动移除技术已成为目前航天领域研究的热点之一。其中，空间碎片主动移除的关键是实施在轨捕获，但由于火箭末级和失效卫星等大型空间碎片的质量往往超过1000kg，且已失去姿态调整能力，空间碎片处于自由翻滚状态。此时，空间碎片可能存在绕最小惯量轴的自旋、绕最大惯量轴的平旋运动，以及存在章动角的翻滚运动，使其运动规律极其复杂，对其实施在轨捕获难度相当大。针对空间碎片转动惯量较大而不易捕获的问题，现今多采用消旋方法，将其旋转角速度减小，以便于直接捕获及回收处理。消旋的本质是通过施加控制力矩来减小空间碎片的角动量，而控制力矩施加的前提是对于空间碎片位置姿态、速度、加速度等运动参数的精确测量。目前，对空间碎片运动参数测量方法的研究主要是采用视觉位姿测量方法。视觉位姿测量方法主要是通过对空间碎片进行图像拍摄，然后利用不同算法对图像进行运算处理获得需要的数据，最后根据获得的数据进行消旋处理和三维模型构建。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)无论是对空间碎片进行测量的过程中，还是对空间碎片进行消旋的过程中，空间碎片都是始终处于运动状态，运动参数是实时变化的，而采用常规的视觉位姿测量方法获得空间碎片运动参数的过程中，由于现有算法在进行空间碎片位姿解算过程需要消耗大量的计算资源，这不仅需要大量的时间进行各种点云矩阵运算，导致数据获取的实时性极差，无法保证消旋的精准度和安全性，而且单纯依靠图像，只能单纯的获取到空间碎片表面的特征点的坐标、深度等三维参数，只能通过算法解算出其运动状态，并且通过算法运算获得的数据的精度有限，无法保证最终获取数据的精准度。(2)常规的测量方法需要耗费大量的时间进行空间碎片的模型获取，才可以对空间碎片的运动参数进行估计；(3)现有测量手段多借助于较好的传感器，其成本较高，不利于未来的普及。解决上述技术问题的难度：(1)常规的视觉位姿测量算法需要消耗大量的时间进行各种运算，导致数据获取的实时性极差；(2)空间碎片的运动参数存在时变性，即空间碎片的运动参数可能会由于测量过程中的碎片碰撞等的影响，导致空间碎片的运动可能发生突变；(3)模型未知的情况下，测量飞船绕飞空间碎片，可能导致清测量飞船与空间碎片发生碰撞从而损毁该装置；(4)空间碎片的外形未知，进行参数测量时无法直接应用现有的模型进行相应的运动分析。解决上述技术问题的意义：通过解决上述问题，可以有效的保证在未知空间碎片模型的情况下，快速获取空间碎片的相应未知姿态，保证空间碎片测量的可靠性，防止在测量过程中发生危险，对空间碎片的清理和测量领域有着较为重大的意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种用于空间碎片运动参数的测量方法及系统。本专利技术是这样实现的，一种用于空间碎片运动参数的测量方法，包括：获取空间碎片的转动惯量和空间碎片的质心角速度后，获得转动周期和角动量，并生成视觉控制信号。根据控制信号获得空间碎片图像并分析获得点云数据和视觉离散旋转信息矩阵，根据获得的视觉离散旋转信息矩阵获得带有时间标签的数据R。根据角动量获得时间轴上的惯性数据N，最终对角动量、点云数据、数据R和惯性数据N进行融合，获得带有时间和空间位置标签的目标数据。进一步，所述用于空间碎片运动参数的测量方法具体包括以下步骤：步骤一，直接测量获取空间碎片中至少三个不同位置处的转动惯量J和空间碎片的质心角速度ωcm。步骤二，根据直接测量获取的质心的三轴角速度ωcmx、ωcmy、ωcmz获得转动周期T，并根据转动周期T截取周期内空间碎片的固定运动点，生成视觉控制信号И。步骤三，根据视觉控制信号И，对空间碎片进行周期性的图像采集，并提取图像中的相应特征点，获得空间碎片点云数据S和视觉离散旋转信息矩阵[M]。S＝{s1,s2,s3,…,sn}，其中，n表示相应特征点的数量，ωx、ωy、ωz为根据点云数据S获得的绕固定坐标轴x、y、z轴的离散旋转角速度。步骤四，对视觉离散旋转信息矩阵[M]做旋转面积变化特征提取，转化为时间轴上带有时间标签的数据R。其中，和分别为加上时间标签的根据点云数据S获得的绕固定坐标轴x、y、z轴的离散旋转角速度。步骤五，根据直接测量获取的质心的三轴角速度ωcmx、ωcmy、ωcmz和转动惯量J，获得角动量L，并通过角动量变化特征提取，得出时间轴上的惯性数据N。其中，和为空间碎片上第i个位置处直接测得的x，y，z三轴的角动量数据，为贴上时间标签的空间碎片上第i个位置处直接测得的角动量数据。步骤六，对数据R和惯性数据N进行融合，获得在时间上对直接测量获得数据和通过图像分析获得数据融合后的周期同步数据I。步骤七，对点云数据S和角动量L进行融合，获得在空间上对直接测量获得数据和通过图像分析获得数据融合后的空间融合数据X。步骤八，对周期同步数据I和空间融合数据X再次进行融合，获得在时间和空间相互融合的目标数据F。进一步，步骤一前需进行视觉系统的标定，获取空间碎片世界坐标系到像素坐标系的转换矩阵[P]。具体包括以下步骤：第一步，获取空间碎片中三个不同位置处的线加速度α1、α2、α3和空间碎片的质心的角速度ωcm。第二步，根据质心角速度ωcm的三轴角速度ωcmx、ωcmy、ωcmz获得旋转矩阵Q和转动周期T，并根据转动周期T截取周期内空间碎片的固定运动点，生成视觉控制信号И。第三步，根据视觉控制信号И，选用双目摄像头对空间碎片进行周期性的图像采集。第四步，获取空间碎片与测量机体之间的相对距离，生成机体-碎片位置转换矩阵。第五步，根据线加速度α1、α2、α3和机体-碎片位置转换矩阵获得位移矩阵t。先对线加速度α1、α2、α3求积分得出惯性单元位置转换矩阵，再由惯性单元位置转换矩阵和第四步中获得的机体-碎片位置转换矩阵合成获得位移矩阵t。第六步，提取第三中获得图像中的有用信息，并利用该有用信息以及旋转矩阵Q和位移矩阵t，计算获得图像的像素坐标和空间的世界坐标转化关系矩阵[P]。从图像中提取获得的有用信息包括：图像坐标点的原点坐标(μ0，ν0)、像素坐标系x轴和y轴上的尺度因子αx和αy以及比例参数s。其中，为利用张正友标定法得出的相机的内参矩阵，为相机的外参矩阵，Q为第二步计算获得的旋转矩阵，t为第五步测量计算得到的位移矩阵，αx和αy分别为像素坐标系x、y轴上的尺度因子，坐标(μ0，ν0)为图像坐标系原点坐标。进一步，第二步，旋转矩阵Q的获取方法具体包括：利用欧拉角进行旋转位姿参数化表示获得旋转矩阵Q。对质心的三轴角速度ωcmx、ωcmy、ωcmz求积分，得出绕三轴的转动角，将空间碎片旋转分解为相对相机坐标系的绕三轴的转动角Ψ、θ、φ，获得旋转矩阵Q。进一步，步骤八后，还需进行：1)对目标数据F和点云数据S进行融合，进行空间碎片的三维模型重构，获取到空间碎片的三维形貌特征。利用ICP算法进行基于已知视觉系统的离散旋转角的三维点云拼本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于空间碎片运动参数的测量方法，其特征在于，所述用于空间碎片运动参数的测量方法包括：获取空间碎片的转动惯量和空间碎片的质心角速度后，获得转动周期和角动量，并生成视觉控制信号；根据控制信号获得空间碎片图像并分析获得点云数据和视觉离散旋转信息矩阵，根据获得的视觉离散旋转信息矩阵获得带有时间标签的数据R；根据角动量获得时间轴上的惯性数据N，最终对角动量、点云数据、数据R和惯性数据N进行融合，获得带有时间和空间位置标签的目标数据。

【技术特征摘要】
1.一种用于空间碎片运动参数的测量方法，其特征在于，所述用于空间碎片运动参数的测量方法包括：获取空间碎片的转动惯量和空间碎片的质心角速度后，获得转动周期和角动量，并生成视觉控制信号；根据控制信号获得空间碎片图像并分析获得点云数据和视觉离散旋转信息矩阵，根据获得的视觉离散旋转信息矩阵获得带有时间标签的数据R；根据角动量获得时间轴上的惯性数据N，最终对角动量、点云数据、数据R和惯性数据N进行融合，获得带有时间和空间位置标签的目标数据。2.如权利要求1所述的用于空间碎片运动参数的测量方法，其特征在于，所述用于空间碎片运动参数的测量方法具体包括以下步骤：步骤一，直接测量获取空间碎片中至少三个不同位置处的转动惯量J和空间碎片的质心角速度ωcm；步骤二，根据直接测量获取的质心的三轴角速度ωcmx、ωcmy、ωcmz获得转动周期T，并根据转动周期T截取周期内空间碎片的固定运动点，生成视觉控制信号И；步骤三，根据视觉控制信号И，对空间碎片进行周期性的图像采集，并提取图像中的相应特征点，获得空间碎片点云数据S和视觉离散旋转信息矩阵[M]，S＝{s1,s2,s3,…,sn}，其中，n表示相应特征点的数量，ωx、ωy、ωz为根据点云数据S获得的绕固定坐标轴x、y、z轴的离散旋转角速度；步骤四，对视觉离散旋转信息矩阵[M]做旋转面积变化特征提取，转化为时间轴上带有时间标签的数据R，其中，和分别为加上时间标签的根据点云数据S获得的绕固定坐标轴x、y、z轴的离散旋转角速度；步骤五，根据直接测量获取的质心的三轴角速度ωcmx、ωcmy、ωcmz和转动惯量J，获得角动量L，并通过角动量变化特征提取，得出时间轴上的惯性数据N，其中，和为空间碎片上第i个位置处直接测得的x，y，z三轴的角动量数据，为贴上时间标签的空间碎片上第i个位置处直接测得的角动量数据；步骤六，对数据R和惯性数据N进行融合，获得在时间上对直接测量获得数据和通过图像分析获得数据融合后的周期同步数据I；步骤七，对点云数据S和角动量L进行融合，获得在空间上对直接测量获得数据和通过图像分析获得数据融合后的空间融合数据X；步骤八，对周期同步数据I和空间融合数据X再次进行融合，获得在时间和空间相互融合的目标数据F。3.如权利要求2所述的用于空间碎片运动参数的测量方法，其特征在于，步骤一前需进行视觉系统的标定，获取空间碎片世界坐标系到像素坐标系的转换矩阵[P]；具体包括以下步骤：第一步，获取空间碎片中三个不同位置处的线加速度α1、α2、α3和空间碎片的质心的角速度ωcm；第二步，根据质心角速度ωcm的三轴角速度ωcmx、ωcmy、ωcmz获得旋转矩阵Q和转动周期T，并根据转动周期T截取周期内空间碎片的固定运动点，生成视觉控制信号И；第三步，根据视觉控制信号И，选用双目摄像头对空间碎片进行周期性的图像采集；第四步，获取空间碎片与测量机体之间的相对距离，生成机体-碎片位置转换矩阵；第五步，根据线加速度α1、α2、α3和机体-碎片位置转换矩阵获得位移矩阵t；先对线加速度α1、α2、α3求积分得出惯性单元位置转换矩阵，再由惯性单元位置转换矩阵和第四步中获得的机体-碎片位置转换矩阵合成获得位移矩阵t，第六步，提取第三中获得图像中的有用信息，并利用该有用信息以及旋转矩阵Q和位移矩阵t，计算获得图像的像素坐标和空间的世界坐标转化关系矩阵[P]；从图像中提取获得的有用信息包括：图像坐标点的原点坐标(μ0，ν0)、像素坐标系x轴和y轴上的尺度因子αx和αy以及比例参数s；其中，为利用张正友标定法得出的相机的内参矩阵，为相机的外参矩阵，Q为第二步计算获得的旋转矩阵，t为第五步...

【专利技术属性】
技术研发人员：张慧博，姚金铭，马睿，张德轩，戴士杰，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12