用于交會對接實驗平臺的相對運動測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于交會對接實驗平臺的相對運動測量系統(tǒng)，屬于航空宇航科學(xué)與技術(shù)的航天器軌道動力學(xué)與控制領(lǐng)域。首先，根據(jù)交會對接實驗平臺和航天器模型確定標志燈布局，然后根據(jù)運動平臺相對運動范圍和標志燈布局方案確定相機與鏡頭參數(shù)，最后應(yīng)用基于運動圖像解算相對位置和相對姿態(tài)。本發(fā)明采用了LED燈、CCD相機等市場成熟產(chǎn)品集成測量設(shè)備，建設(shè)經(jīng)費少，測量精度高，且運行穩(wěn)定。
【專利說明】用于交會對接實驗平臺的相對運動測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器軌道動力學(xué)與控制領(lǐng)域，具體涉及用于交會對接實驗平臺相對位置、相對姿態(tài)等參數(shù)測量的設(shè)備系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著交會對接、在軌服務(wù)等航天型號任務(wù)的相繼實施，國內(nèi)眾多科研院所研制了用于交會對接、在軌服務(wù)等相對運動地面實驗平臺，在實驗過程中，需要對兩航天器模型的相對位置、相對姿態(tài)等運動參數(shù)進行測定。
[0003]目前，用于航天器模型非接觸相對運動測量的設(shè)備包括微波雷達、激光雷達等，其中，微波雷達和激光雷達設(shè)備造價昂貴，且重量較大，對于縮比相對運動地面實驗平臺難以適用，對于一般的科研院所，也難以承受高昂的建設(shè)費用。
[0004]經(jīng)文獻查詢，目前尚無公開文獻涉及地面相對運動實驗平臺的同類測量設(shè)備。本文中提到的坐標系及坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，是本領(lǐng)域人員的基本知識，不再進行具體闡述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種用于交會對接實驗平臺相對測量系統(tǒng)。本發(fā)明采用LED燈加CCD相機的方案對實驗平臺相對運動參數(shù)進行測量，并研制了較為通用的實驗平臺相對運動參數(shù)測量的系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種用于交會對接實驗平臺的相對運動測量系統(tǒng)。
[0007]第一步:根據(jù)實驗平臺與模型確定標志燈布局與相機參數(shù)
該系統(tǒng)可用于對具有相對運動的實驗平臺進行相對運動參數(shù)測量，在具有相對運動的實驗平臺的兩端分別安裝標志燈和相機，通過相機測量標志燈在圖像中的位置來解算相對位置和相對姿態(tài)。
[0008]為了獲得三個方向的相對位置，必須配備3個以上的標志燈，為了考慮冗余和安裝方便，本發(fā)明采用遠場標志燈組和近場標志燈兩組，每組6個非共面標志燈構(gòu)型的布局方案，其中遠場標志燈用于遠距離測量，而近場標志燈用于近距離測量。如圖1所示，圖中的T2、T3、T5和Τ6為遠場共面標志燈，布置在廣Z平面內(nèi)，而Tl和Τ4為非共面標志燈，它們的f坐標要大于零。非共面標志燈構(gòu)型的解算方程確定相對簡單，相對狀態(tài)確定的精度較高，可適應(yīng)更大的影像點坐標偏差與更遠的相對距離。同時，基準面的尺寸越大，標志點的間距越大，相對狀態(tài)確定精度越高。非共面標志燈(圖1中遠場標志燈組Tl和T4)的位置分布對相對狀態(tài)確定精度有重要影響。在合理的范圍內(nèi)，突出標志燈距離基準面越遠相對姿態(tài)確定精度越高。
[0009]同時考慮到遠場和近場的測量需要，整個標志燈系統(tǒng)可由兩組標志燈構(gòu)成，其中基準面較大的一組是遠場標志燈組，安裝時其基準面中心位于目標航天器的軸線上，模擬較遠距離時的測量標志燈；基準面較小的一組標志燈是近場標志燈組，可安裝在航天器模型軸線的正下方，用于模擬較近距離時的測量標志燈。遠場和近場標志燈組安裝位置如圖I所示。當運動距離較短，通過合理選取相機與鏡頭參數(shù)，也可僅安裝一組標志燈。
[0010]當航天器模型尺寸變化時，需要將圖1中的標志燈分布尺寸進行適應(yīng)性調(diào)整，同時，需更新測量計算程序中標志燈位置參數(shù)，即可滿足測量與安裝要求，且測量計算程序無需任何修改即可正確運行。
[0011]標志燈布局方案確定后，需要根據(jù)運動平臺相對運動范圍確定相機的焦距、視場角和分辨率等主要參數(shù)。首先CCD相機主要是用于對合作目標LED燈的觀測，獲得灰度圖即可，并不需要對顏色進行處理，所以選用的相機首先確定是黑白相機。相機分辨率方面，由于需要獲得標志燈在照片中的像素坐標，再進一步變換到C⑶成像芯片上的實際坐標，所以相機的分辨率對測量結(jié)果影響較大，所以需要采用較高分辨率的相機，分辨率1024*768以上。在幀頻方面，由于該測量系統(tǒng)需要進行實時測量，所以幀頻要盡量的高，幀頻50赫茲以上，但是考慮到圖像處理的速度問題。在相機的鏡頭選取方面，需要保證標志燈既能在照片中被區(qū)分開，同時在一定的距離和姿態(tài)角的變化范圍內(nèi)，標志燈不超出相機的視場。
[0012]第二步:提取相平面內(nèi)標志燈坐標
該測量系統(tǒng)選用的CCD相機獲得的圖像是灰度圖像，因為可能存在噪聲的影響，首先利用QTSU算法對圖像進行二值化，然后在高斯模板對圖像中的亮斑進行檢查，獲取亮斑的坐標，最后在對獲得的坐標進行擬合。在對亮斑的檢測過程中還要根據(jù)其高斯響應(yīng)值選擇響應(yīng)值最大的一部分斑點，以進一步排除噪聲的干擾。
[0013]由于在測量過程中，標志燈在相機獲得的照片中的相對位置是不變的，因此，要對由圖像處理得到的標志點在照片坐標系中的坐標進行比較，匹配出各坐標對應(yīng)的標志點。
[0014]如圖2所示，設(shè)標志點巧(Ι = 1,2....6)的像點在照片坐標系中的位置矢量記為
,在經(jīng)過處理得到各標志點在照片上的坐標后，可依據(jù)如下關(guān)系進行匹配。
[0015]以遠場標志燈組的匹配過程為例，標志燈匹配方法為:在遠場標志燈組中通過對 萬向的坐標進行比較，最小的兩個是標志點Τ2和Τ3 ,最大的兩個是Τ5和Τ6。中間的
兩個就是Tl和Τ4 ;然后，再比較萬向的值，Τ2和Τ3中小的一個是Τ2 , Τ5和Τ6中小
的一個是Τ6，Tl和Τ4中小的一個是Tl。近場標志燈匹配方法類似。
[0016]第三步:根據(jù)運動圖像解算實驗平臺的相對運動參數(shù) 相對運動參數(shù)解算可以分為如下步驟來進行。
[0017](I)構(gòu)建測距方程
根據(jù)鏡頭坐標系與空間坐標透視關(guān)系，可引入下列符號(其中
【權(quán)利要求】
1.用于交會對接實驗平臺的相對運動測量系統(tǒng)，采用LED燈加CCD相機的方法對實驗平臺相對運動參數(shù)進行測量，其特征在于，該測量系統(tǒng)具體包括: 第一步:根據(jù)實驗平臺與模型確定標志燈布局與相機參數(shù)；具體為，在具有相對運動的實驗平臺的兩端分別安裝標志燈和相機，通過相機測量標志燈在圖像中的位置來解算相對位置和相對姿態(tài)，整個標志燈系統(tǒng)采用兩組標志燈構(gòu)成，其中基準面較大的一組是遠場標志燈組，安裝時其基準面中心位于目標航天器的軸線上，模擬較遠距離時的測量標志燈；基準面較小的一組標志燈是近場標志燈組，安裝在航天器模型軸線的正下方，用于模擬較近距離時的測量標志燈； 相機參數(shù)為:選用黑白相機，分辨率1024*768以上，幀頻50赫茲以上； 第二步:提取相平面內(nèi)標志燈坐標；首先利用QTSU算法對圖像進行二值化，然后在高斯模板對圖像中的亮斑進行檢查，獲取亮斑的坐標，最后在對獲得的坐標進行擬合；然后對由圖像處理得到的標志點在照片坐標系中的坐標進行比較，匹配出各坐標對應(yīng)的標志占.第三步:根據(jù)運動圖像解算實驗平臺的相對運動參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于交會對接實驗平臺的相對運動測量系統(tǒng)，其特征在于，匹配出各坐標對應(yīng)的標志點，具體方法如下: 設(shè)標志點Ci= 1,2---6)的像點在照片坐標系中的位置矢量記為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于交會對接實驗平臺的相對運動測量系統(tǒng)，其特征在于， 相對運動參數(shù)解算包括如下步驟， (1)構(gòu)建測距方程 根據(jù)鏡頭坐標系與空間坐標透視關(guān)系，引入下列符號(其中i= 1,2-..., j=i + X-n ) 首先，計算第i個標志燈在鏡頭坐標系中的距離為
【文檔編號】G01B11/00GK103822582SQ201410076166
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】黃海兵, 唐國金, 李海陽, 伍小君 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)