立體視覺系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn) 行標(biāo)定;根據(jù)采集的Lm)燈陣圖像確定故障航天器等效裝置與雙目立體視覺系統(tǒng)的相對姿 態(tài)的初值和相對位置的初值，并將該初值發(fā)給仿真控制計算機(jī);根據(jù)周期性采集的故障航 天器等效裝置圖像對兩個相機(jī)圖像進(jìn)行處理，然后利用待驗證的相對導(dǎo)航和辨識算法進(jìn)行 導(dǎo)航計算，將導(dǎo)航結(jié)果發(fā)給仿真控制計算機(jī)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在軌服務(wù)相對導(dǎo)航實驗平臺，其特征在于:所述雙目立體視覺 系統(tǒng)包括2臺工業(yè)相機(jī)、同步觸發(fā)電路，其中，同步觸發(fā)電路用于周期性地觸發(fā)2臺工業(yè)相機(jī) 采集故障航天器等效裝置圖像。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在軌服務(wù)相對導(dǎo)航實驗平臺，其特征在于:所述導(dǎo)航計算機(jī)系 統(tǒng)包括視覺參數(shù)標(biāo)定模塊、圖像處理模塊和相對導(dǎo)航算法驗證模塊，其中： 所述圖像處理模塊用于對棋盤格標(biāo)定板采集圖像的處理，并將處理數(shù)據(jù)傳送給視覺參 數(shù)標(biāo)定模塊，所述視覺參數(shù)標(biāo)定模塊根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)對雙目立體視覺系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行 標(biāo)定； 所述圖像處理模塊用于對Lm)燈陣采集圖像的處理，并將處理結(jié)果傳送給視覺參數(shù)標(biāo) 定模塊，所述視覺參數(shù)標(biāo)定模塊根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)確定故障航天器等效裝置與雙目立體視覺 系統(tǒng)的相對姿態(tài)的初值和相對位置的初值，并將初值傳送給仿真控制計算機(jī)； 所述圖像處理模塊用于對故障航天器等效裝置周期性采集的圖像進(jìn)行處理，并將該處 理得到的數(shù)據(jù)傳送給相對導(dǎo)航算法驗證模塊，所述相對導(dǎo)航算法驗證模塊根據(jù)傳送數(shù)據(jù)進(jìn) 行導(dǎo)航計算，并將導(dǎo)航結(jié)果發(fā)給仿真控制計算機(jī)。4. 一種基于權(quán)利要求1至3任一所述的在軌服務(wù)相對導(dǎo)航工作方法，其特征在于，包括 如下步驟： 步驟1，通過手動轉(zhuǎn)臺和棋盤格標(biāo)定板對雙目立體視覺系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定，該內(nèi) 外參數(shù)包括左右相機(jī)的有效焦距、左右相機(jī)分別相對測量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣； 步驟2,通過仿真控制計算機(jī)復(fù)位=軸電動轉(zhuǎn)臺，讓其姿態(tài)處于標(biāo)稱零位； 步驟3，通過仿真控制計算機(jī)復(fù)位=維電動平移臺，讓其位置處于標(biāo)稱零位； 步驟4，導(dǎo)航計算機(jī)根據(jù)標(biāo)定的內(nèi)外參數(shù)和故障航天器等效裝置上的Lm)燈陣確定故障 航天器等效裝置與雙目立體視覺系統(tǒng)的相對姿態(tài)初值和相對位置初值； 步驟5,仿真控制計算機(jī)利用步驟4中的得到的相對姿態(tài)初值、相對位置初值W及仿真 控制計算機(jī)生成的仿真場景通過相對姿態(tài)動力學(xué)模型和相對軌道動力學(xué)模型計算出相對 姿態(tài)和相對位置的姿態(tài)序列，然后將相應(yīng)的控制指令分別發(fā)給=軸電動轉(zhuǎn)臺和=維平移 臺，從物理上模擬出服務(wù)航天器與故障航天器之間的相對運(yùn)動； 步驟6，開啟同步觸發(fā)電路，周期性地觸發(fā)2臺工業(yè)相機(jī)對故障航天器成像； 步驟7,開啟導(dǎo)航計算機(jī)系統(tǒng)，周期性地對兩個相機(jī)圖像進(jìn)行處理，然后利用待驗證的 相對導(dǎo)航和辨識算法進(jìn)行導(dǎo)航計算，將導(dǎo)航結(jié)果發(fā)給仿真控制計算機(jī)，仿真控制計算機(jī)將 導(dǎo)航結(jié)果與真值比較，作為評價待驗證算法性能的依據(jù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的在軌服務(wù)相對導(dǎo)航工作方法，其特征在于:所述步驟1中對雙 目立體視覺系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定的方法，包括W下步驟： 步驟11，將棋盤格標(biāo)定板安置在手動轉(zhuǎn)臺上； 步驟12,旋轉(zhuǎn)步驟11安裝有棋盤格標(biāo)定板的手動轉(zhuǎn)臺，并保持； 步驟13,讓雙目立體視覺系統(tǒng)中的兩臺工業(yè)相機(jī)對步驟12中的棋盤格標(biāo)定板進(jìn)行成 像，并保存記錄圖像； 步驟14,重復(fù)步驟12、13至少10次； 步驟15,對步驟14重復(fù)得到的2個相機(jī)的圖片進(jìn)行標(biāo)定處理，通過導(dǎo)航計算機(jī)計算出雙 目立體視覺系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的在軌服務(wù)相對導(dǎo)航工作方法，其特征在于:所述步驟4中確定 故障航天器等效裝置與雙目立體視覺系統(tǒng)的相對姿態(tài)的初值和相對位置初值的方法； 步驟41，點(diǎn)亮在故障航天器等效裝置上的L邸燈陣，形成明顯的標(biāo)定特征點(diǎn)陣； 步驟42,利用雙目立體視覺系統(tǒng)對故障航天器等效裝置表面的標(biāo)定特征點(diǎn)陣成像，提 取特征點(diǎn)，再利用=維重建技術(shù)計算出每個特征點(diǎn)的坐標(biāo)值； 步驟43,利用測量得到的特征點(diǎn)的坐標(biāo)值計算各個特征點(diǎn)之間的距離并求和，得到的 和值與故障航天器等效裝置表面上對應(yīng)的兩個Lm)燈之間的已知距離進(jìn)行比較，如果該比 較值大于設(shè)定的口限，則說明平臺的實驗精度不夠，返回步驟11);如果該比較值小于一定 n限，則進(jìn)入后續(xù)實驗步驟； 步驟44,根據(jù)步驟43得到的滿足口限的特征點(diǎn)陣的坐標(biāo)值，計算出雙目立體視覺系統(tǒng) 的測量坐標(biāo)系和故障衛(wèi)星之間的相對姿態(tài)與相對位置的初值，并將值發(fā)送給仿真控制計算 機(jī)； 步驟45，關(guān)閉Lm)燈陣，完成確定故障航天器等效裝置與雙目立體視覺系統(tǒng)的相對姿態(tài) 的初值和相對位置的初值。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的在軌服務(wù)相對導(dǎo)航工作方法，其特征在于:所述步驟42中利用 =維重建技術(shù)計算出每個特征點(diǎn)的坐標(biāo)值方法如下： 將2臺工業(yè)相機(jī)分為左右相機(jī)，L抓燈陣在右相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(XR,i，yR,i，ZR,i)^ 左相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(XL,i，yL,i，ZL,i)，經(jīng)過圖像崎形矯正處理后，在左右相機(jī)像平面的 坐標(biāo)分別為和誠,1而,1);根據(jù)雙目立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定的左右相機(jī)的有效焦距 (aLx，aLy)和(aRx，aRy)，右相機(jī)相對巧慢坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T，得到該特征點(diǎn)在測 量坐標(biāo)系下的立維坐標(biāo)：巧I Ga尸13 其中，（xi，yi，zi)為第i個特征點(diǎn)在測量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，歷=。％啥， _';1 巧 2 &_8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的在軌服務(wù)相對導(dǎo)航工作方法，其特征在于:所述步驟43中進(jìn)行 的比較方法： 步驟431，利用測量坐標(biāo)系下測量得到的特征點(diǎn)坐標(biāo)值計算各個特征點(diǎn)之間的距離并 求和：其中，d為測量坐標(biāo)系下測量得到的各個特征點(diǎn)之間的距離之和，（xi，yi，zi)為第i個特 征點(diǎn)在測量坐標(biāo)系下的坐標(biāo)， 步驟432,根據(jù)步驟431得到的測量坐標(biāo)系下測量得到的各個特征點(diǎn)之間的距離之和和 與故障航天器等效裝置表面上對應(yīng)的兩個L邸燈之間的距離之和山比較:如果 山-d I < e ; 其中，e是設(shè)定的口限；則認(rèn)為實驗平臺誤差較小，可W滿足后續(xù)實驗要求;如果不滿足 要求，則返回步驟11。9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的在軌服務(wù)相對導(dǎo)航工作方法，其特征在于:所述步驟44中得到 雙目立體視覺系統(tǒng)的測量坐標(biāo)系和故障衛(wèi)星之間的相對姿態(tài)、相對位置的初值的方法： 利用方向余弦法確定特征點(diǎn)陣與視覺測量坐標(biāo)系之間的姿態(tài)，則， 及''二[馬，取，化' ]; 其中，巧/為特征點(diǎn)陣與視覺測量坐標(biāo)系之間的姿態(tài)，R2 = RiXR3，P1代表的是第一個特征點(diǎn)，P2代表的是第二個特征點(diǎn)，P3代表的是第=個特征 占. /Wt ， 同時特征點(diǎn)陣與故障衛(wèi)星等效裝置的本體坐標(biāo)系之間的姿態(tài)關(guān)系是已知的，該姿態(tài)記 為.則故障衛(wèi)星等效裝置相對于視覺測量坐標(biāo)系的姿態(tài)初值為： K。=聯(lián)f ?雌; 已經(jīng)測得第二個特征點(diǎn)P2在視覺測量坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為X2 = ( X2，y2，Z2 )，同時已知等效 質(zhì)屯、相對于特征點(diǎn)陣的坐標(biāo)為y，則等效質(zhì)屯、在視覺測量坐標(biāo)系中的位置初值ZO為 奇=及 其中，是巧/的轉(zhuǎn)置矩陣，該等效質(zhì)屯、在視覺測量坐標(biāo)系中的位置初值ZO即為相對 位置的初值。10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的在軌服務(wù)相對導(dǎo)航工作方法，其特征在于:所述步驟5中模擬 出服務(wù)航天器與故障航天器之間的相對運(yùn)動的方法： 根據(jù)步驟44中得到的等效質(zhì)屯、在視覺測量坐標(biāo)系中的位置初值ZO對兩個航天器之間的 相對線運(yùn)動描述為：其中，《表示航天器的軌道角速率，Z = (Sx Sy Sz),是服務(wù)航天器相對于故障航天器 在軌道坐標(biāo)系中的相對位置;該方程是微分方程，可W用數(shù)值積分算法計算預(yù)報出后續(xù)各 個時刻的線運(yùn)動軌跡，預(yù)報初值就是等效質(zhì)屯、在視覺測量坐標(biāo)系中的位置初值ZO，然后將 該軌跡作為控制指令驅(qū)動=維平移臺運(yùn)動； 根據(jù)步驟44中得到的故障衛(wèi)星等效裝置相對于視覺測量坐標(biāo)系的姿態(tài)初值巧^.1〇對兩 個航天器之間的相對姿態(tài)運(yùn)動描述為， Wct= Wcb-R(Qct) W 化其中，COct是兩個航天器之間的相對角速度，COcb表示是服務(wù)航天器的角速度，R(qct)表 示根據(jù)姿態(tài)四元數(shù)計算出姿態(tài)矩陣，《tb表示是故障航天器的角速度，qct表示兩個航天器 之間的相對姿態(tài)四元數(shù);運(yùn)兩個方程也是微分方程，同樣可W用數(shù)值積分算法實現(xiàn)計算預(yù) 報出后續(xù)各個時刻的角運(yùn)動軌跡，預(yù)報初值就是故障衛(wèi)星等效裝置相對于視覺測量坐標(biāo)系 的姿態(tài)初值計算出的化%;然后將角運(yùn)動軌跡作為控制指令驅(qū)動S軸電動轉(zhuǎn)臺運(yùn)動。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在軌服務(wù)相對導(dǎo)航實驗平臺及工作方法，包括三軸電動轉(zhuǎn)臺、三維電動平移臺、仿真控制計算機(jī)、故障航天器等效裝置、雙目立體視覺系統(tǒng)和導(dǎo)航計算機(jī)系統(tǒng)。實驗時：利用仿真控制計算機(jī)生成實驗場景，控制三軸電動轉(zhuǎn)臺模擬相對姿態(tài)運(yùn)動，控制三維電動平移臺來模擬相對位置運(yùn)動；脈沖電路周期觸發(fā)雙目立體視覺系統(tǒng)采集故障航天器等效裝置的圖像，導(dǎo)航計算機(jī)處理雙目圖像，并利用待驗證的相對導(dǎo)航算法模塊進(jìn)行導(dǎo)航與目標(biāo)參數(shù)辨識計算，將導(dǎo)航與參數(shù)辨識結(jié)果上傳至仿真控制計算機(jī)，與仿真場景設(shè)置的真值進(jìn)行比較和評估。該實驗平臺成本低，仿真逼真度高，能滿足快速驗證航天器在軌服務(wù)中相對導(dǎo)航算法的需要。
【IPC分類】G01C25/00
【公開號】CN105588581
【申請?zhí)枴緾N201510945825
【發(fā)明人】郁豐, 何真, 陳新龍, 王振宇, 趙依, 華冰, 吳云華, 陳志明
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2016年5月18日
【申請日】2015年12月16日