專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于三共面點(diǎn)的航天器相對(duì)姿態(tài)確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及利用視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)航天器相對(duì)姿態(tài)的確定。

背景技術(shù)：
隨著國(guó)際空間合作的日益加深，航天器相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)也不斷發(fā)展起來(lái)。作為相對(duì)導(dǎo)航的重要組成部分，相對(duì)姿態(tài)的確定對(duì)提高航天器的自主性和生存能力、減輕工作負(fù)擔(dān)具有重要意義。
相對(duì)姿態(tài)確定就是研究某一航天器本體坐標(biāo)系相對(duì)另一航天器本體坐標(biāo)系的空間姿態(tài)，涉及的參數(shù)較多，方法一般較為復(fù)雜。目前，不存在能夠直接測(cè)量航天器間相對(duì)姿態(tài)的敏感器，因此只能通過(guò)間接測(cè)量，并通過(guò)一定的估計(jì)算法獲取航天器間相對(duì)姿態(tài)。符合此原理的測(cè)量方式主要有兩種，即基于視覺(jué)的測(cè)量和基于類(lèi)GPS的測(cè)量。對(duì)視覺(jué)相對(duì)測(cè)量來(lái)說(shuō)，其估計(jì)精度較高，不過(guò)有效作用距離較短；而類(lèi)GPS相對(duì)測(cè)量的作用范圍較遠(yuǎn)、不依賴(lài)外部信息點(diǎn)，同時(shí)具有很高的保密性和生存能力，但是算法較復(fù)雜。
視覺(jué)測(cè)量由于成本低、測(cè)量精度高，應(yīng)用更加廣泛。對(duì)于航天器相對(duì)導(dǎo)航的視覺(jué)測(cè)量問(wèn)題，通常在追蹤航天器上安裝相機(jī)，在目標(biāo)航天器上設(shè)置觀(guān)測(cè)標(biāo)志，以確定航天器間相對(duì)位置和姿態(tài)參數(shù)。迄今為止，已有多種視覺(jué)敏感器用于導(dǎo)航測(cè)量系統(tǒng)。CCD圖像敏感器具有敏感度高、光譜響應(yīng)寬，線(xiàn)性度好、動(dòng)態(tài)范圍大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，性?xún)r(jià)比較高，因此大多數(shù)視覺(jué)系統(tǒng)都采用CCD敏感器。
目前，基于視覺(jué)的航天器相對(duì)姿態(tài)確定方法有以下兩種 1.利用了一種新的光學(xué)敏感器及一些特殊的光源作為視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)，這些特殊的光源作為目標(biāo)的特征點(diǎn)。該視覺(jué)導(dǎo)航敏感器由一個(gè)置于廣角透鏡焦平面的位置敏感器(PSD)組成。目標(biāo)上的點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)廣角透鏡聚焦到位置敏感器上，通過(guò)位置敏感器算法確定其在位置敏感器上的像點(diǎn)中心。當(dāng)多個(gè)非共線(xiàn)的點(diǎn)光源的在位置敏感器上成像時(shí)，通過(guò)導(dǎo)航算法就能確定相對(duì)姿態(tài)。
2.基于單目視覺(jué)的航天器相對(duì)姿態(tài)算法。設(shè)置四個(gè)非共面特征光標(biāo)，將相對(duì)姿態(tài)確定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為像平面空間內(nèi)的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題。
本發(fā)明提出了一種利用安裝在追蹤航天器上的單臺(tái)CCD相機(jī)對(duì)目標(biāo)航天器上的三個(gè)共面的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量來(lái)完成相對(duì)姿態(tài)確定的方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種航天器相對(duì)姿態(tài)確定技術(shù)，結(jié)合視覺(jué)傳感、數(shù)字圖像處理等相關(guān)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)航天器的自主相對(duì)導(dǎo)航奠定基礎(chǔ)，該方法實(shí)時(shí)性好且精度較高。
本發(fā)明基于三個(gè)共面點(diǎn)的單目視覺(jué)技術(shù)對(duì)航天器的相對(duì)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，然后給出相應(yīng)的控制輸入，直至航天器達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)。為達(dá)到上述目的，如圖1所示，本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的 1.標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)； 2.選取標(biāo)志點(diǎn)顏色閾值并進(jìn)行分割； 3.確定標(biāo)志點(diǎn)質(zhì)心； 4.由三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算三角形面積，并進(jìn)行俯仰調(diào)節(jié)； 5.根據(jù)質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)確定相對(duì)姿態(tài)。
本發(fā)明有以下一些技術(shù)特征 (1)步驟1所述的標(biāo)記點(diǎn)設(shè)計(jì)要根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)在合理且有效的位置上，我們選擇了三個(gè)相同的橙色標(biāo)志點(diǎn)，并將他們分布在一個(gè)正三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上； (2)步驟2所述的標(biāo)志點(diǎn)閾值分割是對(duì)HIS空間中的H、S值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出離線(xiàn)的分割閾值的； (3)步驟3所述的分割三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)采用的是垂直投影與水平投影相結(jié)合進(jìn)行分割； (4)步驟3所述的確定標(biāo)志點(diǎn)質(zhì)心是采用的質(zhì)心法，若在光照變化明顯情況下容易丟失一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，則根據(jù)三角形的幾何特點(diǎn)估算出丟失掉的標(biāo)志點(diǎn)的中心坐標(biāo)； (5)步驟4所述的俯仰調(diào)節(jié)是根據(jù)達(dá)到預(yù)定狀態(tài)時(shí)三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)組成的三角形面積最大進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的； (6)步驟5所述的確定相對(duì)姿態(tài)是根據(jù)正三角形的性質(zhì)確定出來(lái)的。
本發(fā)明提出了一種基于視覺(jué)的航天器相對(duì)姿態(tài)確定方法，此方法切實(shí)可行，并具有很高的穩(wěn)定性及抗干擾能力，對(duì)相關(guān)問(wèn)題的方案設(shè)計(jì)及算法選擇有一定的借鑒意義。



圖1為相對(duì)姿態(tài)確定流程圖； 圖2為標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)； 圖3為標(biāo)志點(diǎn)圖像二值化； 圖4為標(biāo)志點(diǎn)可能的分布區(qū)域； 圖5為標(biāo)志點(diǎn)目標(biāo)狀態(tài)和初始狀態(tài)。

具體實(shí)施例方式 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)平臺(tái)是由裝有可繞水平、垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶三根桿的圓盤(pán)的3DCrane裝置模擬追蹤航天器，由固定有升降臺(tái)且裝有可繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)平動(dòng)以及可繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶三個(gè)孔的圓盤(pán)的智能機(jī)器人模擬目標(biāo)航天器，采用CCD攝像機(jī)和圖像采集卡作為圖像的采集系統(tǒng)。
1.設(shè)計(jì)標(biāo)志點(diǎn) 為了確定目標(biāo)的位置與姿態(tài)，通常需要在目標(biāo)上做一些特征標(biāo)志點(diǎn)以便于圖像的識(shí)別與分析。在特征點(diǎn)識(shí)別過(guò)程中，主要有兩種識(shí)別方法，一種是根據(jù)特征點(diǎn)的形狀信息進(jìn)行識(shí)別，另一種是根據(jù)特征點(diǎn)的顏色信息進(jìn)行識(shí)別，在本發(fā)明中我們采用了后者。為了達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果，我們離線(xiàn)的分析了環(huán)境中的顏色分布，并對(duì)不同顏色的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最終我們選擇了環(huán)境中從未出現(xiàn)的橙色作為標(biāo)記點(diǎn)的顏色。由于目標(biāo)盤(pán)上的孔是中心對(duì)稱(chēng)的，為了保留這種中心對(duì)稱(chēng)性，我們選擇了三個(gè)相同的橙色標(biāo)志點(diǎn)，并將他們分布在一個(gè)正三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上，如圖2所示。
2.閾值分割標(biāo)志點(diǎn) 由于視頻采集卡得到的是RGB顏色空間的圖像。RGB顏色空間的三個(gè)分量關(guān)聯(lián)性很強(qiáng)，顏色屬性改變時(shí)R、G、B三個(gè)分量須同時(shí)改變。在基于顏色的目標(biāo)識(shí)別中，通常需要將圖像從RGB顏色空間轉(zhuǎn)化成分量之間具有較弱相關(guān)性的顏色空間，如YUV顏色空間和HSI顏色空間，本發(fā)明采用的是HSI顏色空間。HSI顏色空間中的三個(gè)分量分別代表色度(Hue)、飽和度(Saturation)和亮度(Intensity)。從RGB顏色空間到HSI顏色空間的轉(zhuǎn)化是一個(gè)非線(xiàn)性過(guò)程 其中，H∈(0，360)，S∈
，I∈
通過(guò)離線(xiàn)測(cè)定，我們確定了實(shí)驗(yàn)中的橙色標(biāo)志點(diǎn)的閾值，我們只采用了H和S兩個(gè)分量來(lái)確定某一像素點(diǎn)是否為橙色標(biāo)志點(diǎn)，如果H∈[18，48]并且S∈
，則認(rèn)定此點(diǎn)為標(biāo)志點(diǎn)，否則認(rèn)為此點(diǎn)為背景。遍歷圖像中所有像素點(diǎn)，并對(duì)每一像素點(diǎn)進(jìn)行上述判定，我們便將圖像分割成了兩部分，即屬于標(biāo)志點(diǎn)的像素點(diǎn)和屬于背景的像素點(diǎn)，也即實(shí)現(xiàn)了二值化，如圖3所示。
3.分割三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)并確定質(zhì)心 在對(duì)圖像進(jìn)行二值化后，我們?nèi)匀恍枰獙⑷齻€(gè)標(biāo)記點(diǎn)分割開(kāi)來(lái)，分別確定其在圖像中的位置。常用的分割方法是種子生長(zhǎng)法，即在圖像中按較大的步長(zhǎng)搜索目標(biāo)點(diǎn)，如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)，則以此點(diǎn)為種子點(diǎn)，并在此種子的聯(lián)通區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展搜索目標(biāo)點(diǎn)直到達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域的邊界。但是，在本實(shí)驗(yàn)中，由于我們采用的二值化方法是固定閾值分割方法，在光照及噪聲等外界條件影響下，可能出現(xiàn)以下的情況一是橙色標(biāo)志點(diǎn)區(qū)域不是一個(gè)聯(lián)通區(qū)域，而是分割成了若干個(gè)聯(lián)通區(qū)域；二是噪聲使得一些屬于背景的像素點(diǎn)被誤認(rèn)為是橙色目標(biāo)點(diǎn)；這就使得種子生長(zhǎng)點(diǎn)法產(chǎn)生了較大的錯(cuò)誤率。在本發(fā)明中我們采用的是垂直投影與水平投影相結(jié)合的分割方法。
在二值化過(guò)程中遍歷每一個(gè)像素點(diǎn)并判定其是否為橙色標(biāo)志點(diǎn)的同時(shí)，統(tǒng)計(jì)在圖像的每一行和每一列中屬于橙色標(biāo)志點(diǎn)的像素的個(gè)數(shù)，并將結(jié)果存儲(chǔ)在和圖像的行數(shù)、列數(shù)同維的兩個(gè)數(shù)組中。若將這兩個(gè)數(shù)組中各變量的值顯示在圖像的左邊緣和下邊緣的對(duì)應(yīng)位置時(shí)，可看作將屬于橙色標(biāo)志點(diǎn)的像素點(diǎn)在水平方向和豎直方向做了投影。根據(jù)結(jié)果，我們可以在水平方向和豎直方向上分別找到幾個(gè)連續(xù)區(qū)間用于確定三個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的位置分布。由于圖像中存在一些噪聲點(diǎn)，我們對(duì)連續(xù)區(qū)間的長(zhǎng)度設(shè)定了一個(gè)最小閾值，當(dāng)連續(xù)區(qū)間小于此最小閾值時(shí)，判定此連續(xù)區(qū)間為由噪聲引起并將其舍棄，實(shí)驗(yàn)中我們?cè)O(shè)定此最小閾值為10個(gè)像素的長(zhǎng)度。根據(jù)水平方向和豎直方向上有效的連續(xù)區(qū)間的排列組合，我們可以得到三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)可能的分布區(qū)域如圖4所示。
對(duì)橙色標(biāo)志點(diǎn)的可能存在區(qū)域內(nèi)，分別統(tǒng)計(jì)其包含的屬于標(biāo)志點(diǎn)的像素的個(gè)數(shù)，并設(shè)定一個(gè)閾值，若某一個(gè)區(qū)域內(nèi)包含的屬于標(biāo)志點(diǎn)的像素個(gè)數(shù)大于此閾值，則認(rèn)為此區(qū)域確實(shí)包含一個(gè)橙色標(biāo)志點(diǎn)，否則，認(rèn)為此區(qū)域不含標(biāo)志點(diǎn)或只存在噪聲點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，此閾值的選取十分重要，若過(guò)小，則不容易舍棄掉噪聲點(diǎn)；若過(guò)大，則容易丟掉真正的橙色標(biāo)志點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況選擇此閾值為40。
在包含橙色標(biāo)志點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)確定標(biāo)志點(diǎn)的質(zhì)心，我們選用了計(jì)算更為簡(jiǎn)便的質(zhì)心法 其中，Xn和Yn為第n個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的中心Pn點(diǎn)的橫坐標(biāo)值和縱坐標(biāo)值，pixelij代表在第n個(gè)區(qū)域中位于第i行及第j列并且屬于標(biāo)志點(diǎn)的像素，Numbern表示在第n個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)所含的所有屬于標(biāo)志點(diǎn)的像素總數(shù)。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)一般情況下，三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的中心P1(X1，Y1)、P2(X2，Y2)和P3(X3，Y3)均能正確的得到，但在光照變化明顯情況下容易丟失一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，在這種情況下，我們根據(jù)三角形的幾何特點(diǎn)估算出丟失掉的標(biāo)志點(diǎn)的中心坐標(biāo)。假如P1(X1，Y1)和P2(X2，Y2)已知，我們通過(guò)下面的公式估算P3(X3，Y3)。
若X1＝X2，則 若Y1＝Y(jié)2，則 若X1≠X2且Y1≠Y2則 若 則 若 則 其中，160和120為圖像中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。
4.由三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算三角形面積，并進(jìn)行俯仰調(diào)節(jié)設(shè)三角形ABC的三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)分別是(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，則令x2-x1＝m，y2-y1＝n，x3-x1＝p，y3-y1＝q，則設(shè)

夾角為θ，則三角形ABC的面積為 我們根據(jù)到達(dá)預(yù)定狀態(tài)時(shí)三角形面積最大進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)俯仰方向的平衡。
5.確定相對(duì)姿態(tài) 首先根據(jù)三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的中心坐標(biāo)，確定由這三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)組成的正三角形的重心P0(X0，Y0)點(diǎn)的坐標(biāo) 用以下的公式計(jì)算線(xiàn)段P0P1、P0P2和P0P3同x軸正方向的夾角φ1、φ2和φ3Lix＝Xi-X0，Liy＝Y(jié)i-Y0。
若Lix>0并且Liy＝0，則φi＝0°； 若Lix＝0并且Liy>0，則φi＝90°； 若Lix<0并且Liy＝0，則φi＝180°； 若Lix＝0并且Liy<0，則φi＝270°； 若Lix>0并且Liy>0，則 若Lix<0并且Liy≠0；則
若Lix>0并且Liy<0，則
由圖5可知，在目標(biāo)狀態(tài)中

因此相對(duì)姿態(tài)角φ可由下式得出
然后利用確定的φ值作為相對(duì)姿態(tài)估計(jì)參數(shù)完成航天器相對(duì)姿態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)自主相對(duì)導(dǎo)航。
權(quán)利要求
1、一種基于三共面點(diǎn)的航天器相對(duì)姿態(tài)確定方法，其特征在于，該方法包括
標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)；
選取標(biāo)志點(diǎn)顏色閾值并進(jìn)行分割；
確定標(biāo)志點(diǎn)質(zhì)心；
由三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算三角形面積，并進(jìn)行俯仰調(diào)節(jié)；
根據(jù)質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)定相對(duì)姿態(tài)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，我們選擇了三個(gè)相同的橙色標(biāo)志點(diǎn)，并將他們分布在一個(gè)正三角形的三個(gè)頂點(diǎn)上。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的標(biāo)志點(diǎn)閾值分割是對(duì)HIS空間中的H、S值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出離線(xiàn)的分割閾值的。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述的分割三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)采用的是垂直投影與水平投影相結(jié)合進(jìn)行分割。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的確定標(biāo)志點(diǎn)質(zhì)心是采用的質(zhì)心法，若在光照變化明顯情況下容易丟失一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，則根據(jù)三角形的幾何特點(diǎn)估算出丟失掉的標(biāo)志點(diǎn)的中心坐標(biāo)。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的俯仰調(diào)節(jié)是根據(jù)達(dá)到預(yù)定狀態(tài)時(shí)3個(gè)標(biāo)志點(diǎn)所確定的三角形面積最大進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的確定相對(duì)姿態(tài)是根據(jù)正三角形的性質(zhì)確定出來(lái)的。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種利用安裝在追蹤航天器上的單臺(tái)CCD相機(jī)對(duì)目標(biāo)航天器上的三個(gè)共面的標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)時(shí)判斷姿態(tài)差別，以完成相對(duì)姿態(tài)確定的方法，從而為實(shí)現(xiàn)航天器的自主相對(duì)導(dǎo)航奠定基礎(chǔ)。該方法判別精度高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01C21/24GK101498581SQ20081024658
公開(kāi)日2009年8月5日 申請(qǐng)日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者賈英民, 娜 倪, 鏑 曹 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué), 賈英民, 娜 倪