一种基于单目视觉的空间非合作目标相对状态估计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于单目视觉的空间非合作目标相对状态估计方法，采用单目相机实现空间非合作目标最终逼近过程中的相对导航，并且通过在观测方程加入约束的方式的加速滤波收敛；建立目标与服务航天器之间相对运动的运动学和动力学模型，建立观测方程，其中加入目标特征点之间的约束关系方程，设计滤波器，实现目标相对状态的估计。本发明专利技术由于采用单目相机实现了最终逼近空间非合作目标的相对导航，相比于双目相机(立体视觉)和激光成像雷达，单目相机具有体积质量小、功耗低，经济成本低等优势；并且将相对特征满足的约束加入观测方程，滤波器收敛更快。

A Relative State Estimation Method for Spatial Non-cooperative Targets Based on Monocular Vision

【技术实现步骤摘要】
一种基于单目视觉的空间非合作目标相对状态估计方法
本专利技术涉及航天器相对导航
，特别是涉及一种目标相对状态估计方法。
技术介绍
为了能够对非合作目标实施在轨服务，在近距离接近空间目标时需要估计目标与服务航天器相对位置和姿态。空间非合作目标大多具有以下特征：表面无特定的光学识别标志；无法进行通讯；目标模型未知等。这就给此类目标接近操作过程中的相对位姿估计带来了很大的困难。从相对导航可使用的视觉测量敏感器来看，有单目相机、双目相机(立体视觉)和激光成像雷达等，相比于后两者，单目相机具有技术实现简单、体积质量小、功耗低等优势，在经济上更具灵活性和经济性，但是也存在不能直接获得深度信息的缺陷。虽然已有文献证明了相机偏置安装时对位置相关状态的可观性，但是使用单目相机估计目标相对状态仍然是一件困难的事情。实际上，未知非合作目标的相对状态估计问题可以类比SLAM问题，即同时估计目标的相对位姿和恢复目标结构，对于翻滚目标，一般还需估计目标的惯量主轴等信息。对此，文献中的一类方法是以目标表面特征点的图像坐标作为观测量，通过建立特征点的运动模型及目标的动力学模型，设计滤波算法对目标的相对状态进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单目视觉的空间非合作目标相对状态估计方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一：建立目标与服务航天器之间相对运动的运动学和动力学模型；定义如下坐标系：(1)地心惯性坐标系I：原点位于地球质心，z轴指向地球北极，x轴指向春分点，y轴由右手法则确定；(2)LVLH坐标系H：坐标系原点位于服务航天器的质心，x轴由地心指向服务航天器质心，z轴垂直于轨道面且与轨道角动量方向一致，y轴由右手法则确定；(2)服务航天器本体坐标系A：坐标原点固定在服务航天器质心上，坐标轴与服务航天器惯量主轴重合；(3)目标本体坐标系B：坐标原点固定在目标质心上，坐标轴与目标的惯量主轴重合，规定最小惯量主轴为x轴，最大惯...

【技术特征摘要】
1.一种基于单目视觉的空间非合作目标相对状态估计方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一：建立目标与服务航天器之间相对运动的运动学和动力学模型；定义如下坐标系：(1)地心惯性坐标系I：原点位于地球质心，z轴指向地球北极，x轴指向春分点，y轴由右手法则确定；(2)LVLH坐标系H：坐标系原点位于服务航天器的质心，x轴由地心指向服务航天器质心，z轴垂直于轨道面且与轨道角动量方向一致，y轴由右手法则确定；(2)服务航天器本体坐标系A：坐标原点固定在服务航天器质心上，坐标轴与服务航天器惯量主轴重合；(3)目标本体坐标系B：坐标原点固定在目标质心上，坐标轴与目标的惯量主轴重合，规定最小惯量主轴为x轴，最大惯量主轴y轴；(5)相机坐标系C：坐标原点固定在相机光心上，在服务航天器本体坐标系上的位置向量为d，为已知固定量，z轴沿相机光轴方向，x轴y轴平行于成像平面；目标本体坐标系B相对于服务航天器本体坐标系A的相对姿态用四元数q表示，四元数qv＝[q1q2q3]T为四元数向量部分，q4为四元数的标量部分，与四元数q对应的旋转矩阵为：其中[q×]为向量q＝[q1q2q3]T的反对称矩阵：定义四元数b和q之间乘法运算如下：定义服务航天器本体坐标A系和目标本体坐标系B的角速度在各自本体坐标系下的表示分别为目标相对于服务航天器的角速度ω表示在目标本体坐标系B下为：相对姿态运动学方程为：其中服务航天器角速度通过服务航天器的惯性设备测量得到，作为已知量用于模型方程中；目标的姿态动力学方程为：其中ωt表示目标角速度，即为τt为噪声项，Jt为目标的惯量矩阵，且Jt＝diag(Jxx,Jyy,Jzz)，Jxx,Jyy,Jzz分别为目标主轴x轴、y轴、z轴的转动惯量；令则式(6)转化为：目标转动惯量比为常量，应满足：其中，表示k1关于时间的变化率，表示k2关于时间的变化率；定义ρ0为目标质心相对于服务航天器质心的位置向量，在LVLH坐标系下表示为[xyz]T，考虑到服务航天器近距离接近目标时ρ0很小，则相对位置动力学方程为：其中：为服务航天器轨道真近点角速度，rc为服务航天器轨道半径，pc为半正焦弦，分别表示x,y,z的二阶导数，表示rc的一阶导数，服务航天器轨道参数rc、pc、通过服务航天器轨道确定系统得到，将作为已知量用于模型方程中；定义p1,...,pN分别为目标上N个特征点相对于目标质心的位置矢量，表示在目标本体系上，由目标的刚体假设有：其中，表示[p1T,…,pNT]T关于时间的变化率；最终选取待估计状态则相对运动动力学模型写为：其中：f(X)由式(5)、(7)、(8)、(9)和(10)分别得到；w(t)为系统噪声项；步骤二：建立观测方程，其中加入目标特征点之间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟中杰，郭新程，黄攀峰，张夷斋，张帆，刘正雄，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61