一种基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法及系统技术方案

一种基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法及系统，涉及航天器相对导航及位姿估计技术领域。为了解决空间非合作目标在轨维护、主动清除空间碎片、捕获非合作目标卫星等任务过程中近距离相对导航问题。对追踪航天器与目标航天器的相对运动进行动力学建模；量测模型建立，提取目标特征点，基于目标特征约束集建立特征约束方程；选取待估计参数，包括非合作目标位姿参数及惯性参数；扩展卡尔曼滤波器设计；位姿参数及惯性参数估计；空间非合作目标位姿及惯性参数测量系统设计。本发明专利技术采用单目相机作为测量传感器，提取目标特征点，建立目标特征之间的多种约束关系从而形成特征约束集，将约束集作为伪测量输入到滤波器中以提高观测信息量，最终实现空间非合作目标的运动参数和惯性参数快速确定。合作目标的运动参数和惯性参数快速确定。合作目标的运动参数和惯性参数快速确定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法及系统


[0001]本申请涉及航天器相对导航及位姿估计
，尤其是涉及一种特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法与系统。

技术介绍

[0002]航天器相对位姿及惯性参数测量技术在空间任务场景中具有重要的意义，针对于空间非合作目标模型未知情况下，对空间非合作目标故障航天器进行在轨维护、主动清除空间碎片、破坏抓取敌方卫星等任务时，空间非合作目标位姿及惯性参数估计对于任务的实施起到重要作用。
[0003]在相对位姿及惯性参数测量中，由于视觉导航成本相对较低，所以在航天器相对导航中广泛应用。相较于激光雷达，单目相机质量小，功耗和经济成本低并且单目视觉系统配置相对简单；单目视觉相较于立体视觉，单目视觉结构简单、易于标定并且单目视觉所占平台区域较小，基于以上视觉导航特点国内外学者已进行广泛研究。
[0004]目前国外针对视觉导航技术研究已取得阶段进展，意大利学者Vincenzo Pesce等，采用立体视觉测量结合滤波方法对空间非合作目标的位姿及惯性参数进行估计，但立体视觉使用双目相机所占平台空间位置较大。美国学者Sean Augenstein等，采用单目视觉SLAM算法用于未知目标的姿态跟踪和形状重建，但不估计目标惯性参数。国内学者葛东明等采用立体视觉测量方法，选择目标上的三个特征点作为测量观测量，结合滤波算法估计空间非合作目标的位姿及惯性参数信息，但该方法收敛速度较慢，无法实现空间非合作目标位姿估计和惯量参数的快速确定。
专利技术内容
[0005]本专利技术要解决的技术问题是：
[0006]针对空间非合作目标在轨维护、主动清除空间碎片、捕获破坏敌方卫星等任务过程中近距离相对导航问题，当交会过程中需要快速确定空间非合作目标位姿估计和惯量参数，为此，本专利技术提供了一种基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法及系统。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0008]一种基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法，所述方法步骤如下：
[0009]定义参考坐标系；
[0010]对追踪航天器与目标航天器的相对运动学和动力学建模；
[0011]基于单目视觉量测模型，寻找目标特征之间的不同约束关系建立特征约束集方程；
[0012]对目标特征之间的不同约束关系建立特征约束集方程，将约束方程加入量测方程
中，提高量测信息量，从而提高目标估计精度。
[0013]基于不同的特征约束量测模型设计拓展卡尔曼滤波器对目标运动参数及惯性参数进行估计。
[0014]基于目标特征对空间非合作目标位姿参数及惯性参数滤波估计，最后设计空间非合作目标位姿及惯性参数测量系统(模型)，从而实现基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量。
[0015]进一步地，所述空间目标为未知非合作。
[0016]进一步地，参考坐标系的定义如下：
[0017]地心赤道惯性坐标系(I系)：原点位于地球质心，X
I
轴指向春分点方向；Z
I
轴指向地球北极方向；Y
I
轴根据右手定则确定。
[0018]LVLH坐标系(O系)：追踪航天器质心为坐标系原点，X
O
轴由地心指向追踪航天器质心方向；Y
O
轴在轨道面内，垂直于X
O
轴且与速度方向夹角为锐角；Z
O
轴根据右手定则确定。
[0019]追踪航天器体坐标系(N系)：以追踪航天器质心为坐标系原点的体坐标系，追踪航天器体坐标系坐标轴与惯性主轴重合。
[0020]目标航天器体坐标系(Γ系)：以目标航天器质心为原点，假设该坐标系与目标惯性主轴重合。设最小惯量主轴为X
Γ
轴，最大惯量主轴为Z
Γ
轴，Y
Γ
轴根据右手定则确定。
[0021]相机坐标系(C系)：以相机光心为坐标原点，以相机光轴为Z
C
轴，X
C
轴，Y
C
轴平行于像平面。
[0022]进一步地，在惯性坐标系下，对追踪航天器与目标航天器的相对运动学和动力学建模，具体如下：
[0023]根据牛顿第二定律，在没有扰动情况下，跟踪航天器和目标航天器的运动方程分别为：
[0024][0025]其中μ：为地球引力常数，r
L
、r
T
分别为惯性系下质心位置矢量，目标航天器和追踪航天器质心位置向量的大小可表示为：a为半长轴，e为偏心率，θ为真近角。定义ρ＝r
L
‑
r
T
＝(x y z)
T
，则在轨道坐标系下，目标航天器相对于追踪航天器的相对平动动力学方程为：
[0026][0027][0028][0029]其中分别为x,y,z的二阶导数，为轨道坐标系在惯性空间的角速度，为角加速度；
[0030]目标航天器相对于追踪航天器的相对姿态使用欧拉四元数q
0 q
1 q
2 q3表示，姿态
四元数q＝[q
0 q
v
]T
＝[q
0 q
1 q
2 q3]T
；D(q)为目标本体系到追踪坐标系的旋转矩阵，D(q)表示为：
[0031][0032]其中q
×
为向量q
v
的反对称矩阵，
[0033]目标航天器相对追踪航天器的姿态运动学由四元数表示：
[0034][0035]其中：ω为目标航天器相对追踪航天器的角速度矢量。
[0036]在轨道坐标系下，目标航天器与追踪航天器的相对角速度ω表示为：
[0037][0038]从目标航天器坐标系到追踪航天器坐标系的旋转矩阵。则目标航天器相对追踪航天器转动动力学方程：
[0039][0040]进一步地，建立基于单目视觉的量测模型，提取目标特征点，对目标特征之间的多种约束关系建立特征约束集方程。具体如下：
[0041](1)假设相机的投影中心与追踪航天器质心重合，选择目标上n个特征点坐标作为观测的测量值，如图1所示。则在追踪航天器本体系下：
[0042][0043](2)假设目标特征点在图像上的投影坐标P
i
'为[X Y]，目标特征点在目标体坐标系下坐标P
iT
为目标特征点在相机坐标系下坐标P
iC
为则每个相机坐标系下目标特征点矢量转到追踪航天器体坐标系下表示为：标系下目标特征点矢量转到追踪航天器体坐标系下表示为：为相机坐标系到追踪航天器本体系的旋转矩阵。在相机坐标系下目标特征点与图像投影坐标关系如图2所示，根据射影几何原理，第i个特征点P
iC
在图像中的坐标为：
[0044][0045]图像本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法，所述方法步骤如下：定义参考坐标系；对追踪航天器与目标航天器的相对运动进行动力学建模；构建量测模型，提取目标特征点，构建目标特征约束从而建立特征约束方程，基于单目视觉量测模型，寻找目标特征之间的多种约束关系建立特征约束集方程；基于对目标特征之间的多种约束关系建立特征约束集方程，将约束方程加入量测方程中，提高量测信息量，从而提高目标估计精度；选取待估计参数，包括非合作目标位姿参数及惯性参数；基于不同的特征约束量测模型设计拓展卡尔曼滤波器对目标位姿参数及惯性参数进行估计；基于目标特征对空间非合作目标位姿参数及惯性参数滤波估计，最后设计空间非合作目标位姿及惯性参数测量模型，从而实现基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量。2.如权利要求1所述的一种基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法，其特征在于：所述目标为空间非合作目标航天器。3.如权利要求1或2所述的一种基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法，其特征在于参考坐标系的定义为：地心赤道惯性坐标系(I系)：原点位于地球质心，X
I
轴指向春分点方向；Z
I
轴指向地球北极方向；Y
I
轴根据右手定则确定；LVLH坐标系(O系)：追踪航天器质心为坐标系原点，X
O
轴由地心指向追踪航天器质心方向；Y
O
轴在轨道面内，垂直于X
O
轴且与速度方向夹角为锐角；Z
O
轴根据右手定则确定；追踪航天器体坐标系(N系)：以追踪航天器质心为坐标系原点的体坐标系，追踪航天器体坐标系坐标轴与惯性主轴重合；目标航天器体坐标系(Γ系)：以目标航天器质心为原点，假设该坐标系与目标惯性主轴重合；设最小惯量主轴为X
Γ
轴，最大惯量主轴为Z
Γ
轴，Y
Γ
轴根据右手定则确定；相机坐标系(C系)：以相机光心为坐标原点，以相机光轴为Z
C
轴，X
C
轴，Y
C
轴平行于像平面。4.如权利要求3所述的一种基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法，其特征在于：在惯性坐标系下，对追踪航天器与目标航天器的相对运动进行动力学建模，具体如下：根据牛顿第二定律，在没有扰动情况下，跟踪航天器和目标航天器的运动方程分别为：其中μ：为地球引力常数，r
L
、r
T
分别为惯性系下质心位置矢量，目标航天器和追踪航天器质心位置向量的大小可表示为：a为半长轴，e为偏心率，θ为真近角；定义ρ＝r
L
‑
r
T
＝(x y z)
T
，则在轨道坐标系下，目标航天器相对于追踪航天器的相对平动动力学方程为：
其中分别为x,y,z的二阶导数，为轨道坐标系在惯性空间的角速度，为角加速度；目标航天器相对于追踪航天器的相对姿态变换矩阵使用欧拉四元素q
0 q
1 q
2 q3表示，姿态四元数q＝[q
0 q
v
]
T
＝[q
0 q
1 q
2 q3]
T
；D(q)为目标本体系到追踪坐标系的旋转矩阵，D(q)表示为：其中q
×
为向量q
v
的反对称矩阵，目标航天器相对追踪航天器的姿态运动学由四元数表示：其中：ω为目标航天器相对追踪航天器的角速度矢量。在轨道坐标系下，目标航天器与追踪航天器的相对角速度ω表示为：在轨道坐标系下，目标航天器与追踪航天器的相对角速度ω表示为：从目标航天器坐标系到追踪航天器坐标系的旋转矩阵。则目标航天器相对追踪航天器转动动力学方程：式中：I
T
、I
L
：分别为目标航天器和追踪航天器的转动惯量矩阵；N
T
、N
L
：分别为目标航天器和追踪航天器的外力矩；ω
T|Γ
：目标航天器在体坐标系下角速度；ω
L|O
：追踪航天器在轨道坐标系下角速度；ω：目标航天器相对于追踪航天器的角速度。5.如权利要求4所述的一种基于特征约束集的单目视觉空间非合作目标相对位姿测量方法，其特征在于：建立基于单目视觉的量测模型，提取目标特征点，对目标特征之间的多种约束关系建立特征约束集方程，具体如下：(1)假设相机的投影中心与追踪航天器质心重合，选择目标上n个特征点坐标作为观测的测量值，则在追踪航天器本体系下：
式中：ρ
i
：在追踪航天器体坐标系下目标特征点的位置矢量；ρ：在追踪航天器体坐标系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张泽旭，陈香贵，郭鹏，袁帅，苏宇，王艺诗，袁萌萌，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：