一种空间非合作目标相对位姿测量实验系统及方法技术方案

本发明专利技术提出了一种空间非合作目标相对位姿测量实验系统及方法，所述系统包括

【技术实现步骤摘要】
一种空间非合作目标相对位姿测量实验系统及方法


[0001]本专利技术属于非合作目标位姿测量
，具体地，涉及一种空间非合作目标相对位姿测量实验系统及方法
。

技术介绍

[0002]在航天任务中，对任务目标进行持续准确的状态观测是必不可少的一环
。
目前常用的位姿测量传感器包括
GPS
导航仪
、
惯性导航元件
、
激光测距仪
、
视觉传感器
。
按照任务目标内部是否含有位姿测量传感器可以分为内测法和外侧法
。
针对内部安装有
GPS
导航仪或惯性传感器的目标，可以直接利用测量工具提供的数据对空间目标进行位置和姿态的确定，得到目标运动状态
。
针对内部不包含位姿测量设备且无法进行通讯的目标，通常使用激光测距仪或视觉传感器实现对目标无接触的位姿测量，这一过程被称为外侧法
。
由于视觉传感器具有结构简单
、
重量轻巧等优点，因此常被用于空间目标位姿测量任务中；基于视觉的空间目标测量技术可以分为合作目标视觉测量技术和非合作目标视觉测量技术
。
[0003]基于非合作目标的视觉测量对于没有先验信息的空间非合作目标，虽然相应的测量技术并不成熟，但在实际航天任务中也有许多尝试和实验
。
美国
FREND
计划中使用搭载在机械臂上的三台光学视觉相机对未带有标识物的非合作航天器进行了位姿估计，三台相机组成的观测系统可以在其中一台被遮挡或成像模糊的情况下依旧保证检测的稳定性，在三台相机保证良好成像效果的情况下可利用冗余信息对观测数据进行优化得到更准确的状态估计值
。
凤凰计划
(Phoenix Projiect)
中同样使用视觉传感器实现对非合作目标的状态估计，其在服务星基体和机械臂上共搭载有二十多个相机，在实际观测时使用成像角度最佳的三台相机构成观测系统实现位姿估计
[0004]随着空间技术的发展，航天活动日趋频繁，失效卫星及空间碎片成为一个亟待解决的问题
。
在这种背景下，空间机器人在轨服务备受各国研究人员的重视，而非合作目标位姿测量是空间机器人在轨服务的先决条件
。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术提出了一种空间非合作目标相对位姿测量实验系统及方法，利用
OptiTrack
真值测量系统实现对非合作目标相对位姿的真值测量；利用多目相机阵列实现非合作目标的拍摄与图像输出；面阵光源提供稳定的光照模拟；电动转台使非合作卫星模拟自旋运动；计算平台运行非合作目标位姿测量算法
。
此外，为减少外部干扰模拟空间环境，整体系统在暗室中搭建
。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0007]一种空间非合作目标相对位姿测量实验系统：
[0008]所述系统包括
OptiTrack
真值测量系统
、
多目相机阵列
、
非合作卫星
、
面阵光源
、
电动转台和计算平台；
[0009]所述
OptiTrack
真值测量系统用于实现对非合作目标相对位姿的真值测量；
[0010]所述多目相机阵列实现非合作目标的拍摄与图像输出；
[0011]所述面阵光源提供稳定的光照模拟；
[0012]所述电动转台使非合作卫星模拟自旋运动；
[0013]所述计算平台运行非合作目标位姿测量算法；
[0014]为模拟空间环境，整体系统在暗室中搭建以减少外部干扰
。
[0015]进一步地，所述
OptiTrack
真值测量系统，使用了四台
OptiTrack
相机，相机安装在金属框架的四个角点位置，保证中央的非合作卫星在旋转的全过程中都能准确地被捕获到位姿数据；
[0016]选用三台工业相机组成所述多目相机阵列，通过
PTP
进行软触发实现相机同步拍摄，相机同步时间误差优于
10ms
；
[0017]所述非合作卫星选用
3D
打印制成的东方红四号卫星模型，包含中心基体
、
帆板
、
天线和对接环组件，
[0018]所述电动转台：为使非合作卫星模拟空间自旋状态，采用单轴电动转台实现
。
[0019]一种空间非合作目标相对位姿测量实验方法：所述方法具体包括以下步骤：
[0020]步骤1，相机标定：使用张正友棋盘格标定法对三目相机阵列进行标定；
[0021]步骤2，
OptiTrack
真值测量系统：在非合作卫星上贴有多个
OptiTrack
适配的靶点，
OptiTrack
通过对靶点的识别构建刚体进而识别物体的位姿情况；
[0022]步骤3，非合作目标位姿测量系统：在相机标定的基础上利用多目相机阵列对非合作卫星进行拍摄，拍摄过程中利用
PTP
软触发得到时间戳相同的多目图片；利用这些图片进行稀疏点云重建与处理，之后使用
PICP
算法进行位姿估计，最后与
OptiTrack
得到的位姿真值进行比较，验证方法的准确性
。
[0023]进一步地，在步骤1中，
[0024]在开始非合作目标位姿测量实验前需先对多目相机阵列进行内参标定与相机相对位姿标定；标定方法使用张正友棋盘格标定法，棋盘格标定板规格为9×6，单个棋盘格边长为
25mm
，
[0025]三台相机从左至右分别称为
CAML、CAMH、CAMR
，为使三台相机在一个在同一的坐标系下，选择
CAML
作为主相机，相机镜头朝向为
Z
轴，相机与地面的垂线为
X
轴；其余两台作为从相机；
[0026]标定过程中主相机分别与另外两台从相机进行标定，一共标定两次，即可得到三台相机的相机内参以及相对位姿矩阵；
[0027]固定三台相机，在相机前
0.6
～
1.2m
范围内手持棋盘格标定板进行拍摄，拍摄时注意标定板占整幅图像的
2/3
左右，棋盘格标定板角度变化不超过
45
°
。
[0028]进一步地，在步骤2中，
[0029]为了得到非合作卫星的位姿真值，使用
OptiTrack
对非合作卫星进行测量；共使用4台相机，安装在金属框架的四个角点，保证卫星旋转全过程
OptiTrack
都可以对其进行位姿测量；
[0030]在使用前对这四台相机进行标定，标定结束后将
OptiTrack
的世界坐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种空间非合作目标相对位姿测量实验系统，其特征在于：所述系统包括
OptiTrack
真值测量系统
、
多目相机阵列
、
非合作卫星
、
面阵光源
、
电动转台和计算平台；所述
OptiTrack
真值测量系统用于实现对非合作目标相对位姿的真值测量；所述多目相机阵列实现非合作目标的拍摄与图像输出；所述面阵光源提供稳定的光照模拟；所述电动转台使非合作卫星模拟自旋运动；所述计算平台运行非合作目标位姿测量算法；为模拟空间环境，整体系统在暗室中搭建以减少外部干扰
。2.
根据权利要求1所述系统，其特征在于：所述
OptiTrack
真值测量系统，使用了四台
OptiTrack
相机，相机安装在金属框架的四个角点位置，保证中央的非合作卫星在旋转的全过程中都能准确地被捕获到位姿数据；选用三台工业相机组成所述多目相机阵列，通过
PTP
进行软触发实现相机同步拍摄，相机同步时间误差优于
10ms
；所述非合作卫星选用
3D
打印制成的东方红四号卫星模型，包含中心基体
、
帆板
、
天线和对接环组件，所述电动转台：为使非合作卫星模拟空间自旋状态，采用单轴电动转台实现
。3.
一种空间非合作目标相对位姿测量实验方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：步骤1，相机标定：使用张正友棋盘格标定法对三目相机阵列进行标定；步骤2，
OptiTrack
真值测量系统：在非合作卫星上贴有多个
OptiTrack
适配的靶点，
OptiTrack
通过对靶点的识别构建刚体进而识别物体的位姿情况；步骤3，非合作目标位姿测量系统：在相机标定的基础上利用多目相机阵列对非合作卫星进行拍摄，拍摄过程中利用
PTP
软触发得到时间戳相同的多目图片；利用这些图片进行稀疏点云重建与处理，之后使用
PICP
算法进行位姿估计，最后与
OptiTrack
得到的位姿真值进行比较，验证方法的准确性
。4.
根据权利要求3所述实验方法，其特征在于：在步骤1中，在开始非合作目标位姿测量实验前需先对多目相机阵列进行内参标定与相机相对位姿标定；标定方法使用张正友棋盘格标定法，棋盘格标定板规格为9×6，单个棋盘格边长为
25mm
，三台相机从左至右分别称为
CAML、CAMH、CAMR
，为使三台相机在一个在同一的坐标系下，选择
CAML
作为主相机，相机镜头朝向为
Z
轴，相机与地面的垂线为
X
轴；其余两台作为从相机；标定过程中主相机分别与另外两台从相机进行标定，一共标定两次，即可得到三台相机的相机内参以及相对位姿矩阵；固定三台...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏承，邓志明，谷海宇，刘天喜，曹喜滨，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：