專利名稱：一種航天器交會對接相對位姿測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機器視覺、計算方法、數(shù)學(xué)、數(shù)值方法領(lǐng)域，特別涉及一種基于普呂克直線方程的航天器交會對接相對位姿測量方法，適用于航天器交會對接時相對位姿的測量。
背景技術(shù)：
航天器交會對接技術(shù)是指宇宙飛船、航天飛機這兩類航天器在軌會合并在結(jié)構(gòu)上連成ー個整體的技木。美國20世紀(jì)60年代初的雙子星座計劃主要是依靠航天員的視覺觀測來確定航天器之間的相對位置和姿態(tài)，俄羅斯的交會對接測量系統(tǒng)主要采用的是微波雷 達技木，歐空局從20世紀(jì)80年代初期就開始研究交會對接測量技術(shù)及敏感器，2011年11月3日凌晨，我國神舟八號飛船與天宮一號實現(xiàn)交會對接，中國載人航天首次空間交會對接試驗獲得成功。2012年4月，我國的天宮一號與神舟九號載人交會對接任務(wù)已經(jīng)進入全面實施階段。在航天器交會對接中，基于雙目視覺的方法主要是通過射影幾何、齊次坐標(biāo)等數(shù)學(xué)工具描述圖像的成像原理。傳統(tǒng)的方法是在追蹤航天器上安裝兩個CXD傳感器，通過對特征點在CCD上成像的分析和計算就可以確定追蹤航天器和目標(biāo)航天器之間的相對位置和姿態(tài)信息，本發(fā)明選取目標(biāo)航天器上的兩條非共面直線在CCD上的成像分析來計算兩個航天器相對位姿的方法則更加簡便。在航天器交會對接中，確定六個自由度的相對位姿信息是ー個非常重要的問題。經(jīng)典的衛(wèi)星姿態(tài)描述方法有歐拉角法、四元數(shù)法等。歐拉角是由坐標(biāo)系經(jīng)過三次旋轉(zhuǎn)得到的三參數(shù)描述方法；四參數(shù)的四元數(shù)通過繞旋轉(zhuǎn)軸一次旋轉(zhuǎn)得至IJ，可以避免歐拉角在大角度時“奇異”以及復(fù)雜的三角函數(shù)運算，但是這種方法是將位置和姿態(tài)分開來測量的，普呂克直線的方法則可以使航天器的位置和姿態(tài)統(tǒng)一起來測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對目前航天器交會對接時位置和姿態(tài)分開測量的不足，本發(fā)明提供ー種能夠兼顧位置和姿態(tài)的測量，得到更精確測量結(jié)果的雙目立體視覺的測量方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明ー種航天器交會對接相對位姿測量方法，包括以下步驟步驟I、采用雙目視覺定位算法確定目標(biāo)航天器中任意兩條非共面直線在追蹤航天器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值；步驟2、采用普呂克直線法表示上述兩條非共面直線在目標(biāo)航天器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值；步驟3、采用普呂克直線法表示步驟I中獲得的坐標(biāo)值；步驟4、根據(jù)步驟2和步驟3獲得普呂克直線法表示的坐標(biāo)值，采用普呂克直線方程確定這兩條直線在目標(biāo)航天器和追蹤航天器坐標(biāo)系下的相對位姿關(guān)系；
步驟5、根據(jù)步驟4獲得的上述兩條非共面直線在目標(biāo)航天器和追蹤航天器坐標(biāo)系下的相對位姿關(guān)系，采用奇異值分解的方法獲得單位對偶四元數(shù)4表示目標(biāo)航天器和追蹤航天器坐標(biāo)系間的相對位姿，從而得到兩個航天器間的相對位置和姿態(tài)信息。進ー步地，本發(fā)明航天器交會對接相對位姿測量方法中，所述步驟I中，采用雙目視覺定位法確定目標(biāo)航天器中任意兩條非共面直線在追蹤航天器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值具體如下由追蹤航天器兩個攝像機C1與C2觀察到的目標(biāo)航天器上任意兩條非共面直線/て和/2
在攝像機C1圖像坐標(biāo)下的值分別為4、I，在攝像機C2圖像坐標(biāo)下的值分別為な、I2.，則直線為由攝像機C1坐標(biāo)系原點O1與( 組成的平面S1和由攝像機C2坐標(biāo)系原點O2與()2組成的平面S2的交線，直線ξ為由攝像機C1坐標(biāo)系原點O1與/^組成的平面S1'和由攝像機C2坐標(biāo)系原點O2與ζ2,組成的平面S2'的交線，則/；、ξ在追蹤航天器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值可由下面兩個公式聯(lián)立得到]
權(quán)利要求
1.一種航天器交會對接相對位姿測量方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I、采用雙目視覺定位算法確定目標(biāo)航天器中任意兩條非共面直線在追蹤航天器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值； 步驟2、采用普呂克直線法表示上述兩條非共面直線在目標(biāo)航天器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值； 步驟3、采用普呂克直線法表示步驟I中獲得的坐標(biāo)值； 步驟4、根據(jù)步驟2和步驟3獲得普呂克直線法表示的坐標(biāo)值，采用普呂克直線方程確定這兩條直線在目標(biāo)航天器和追蹤航天器坐標(biāo)系下的相對位姿關(guān)系； 步驟5、根據(jù)步驟4獲得的上述兩條非共面直線在目標(biāo)航天器和追蹤航天器坐標(biāo)系下的相對位姿關(guān)系，采用奇異值分解的方法獲得單位對偶四元數(shù)6來表示目標(biāo)航天器和追蹤航天器坐標(biāo)系間的相對位姿，從而得到兩個航天器間的相對位置和姿態(tài)信息。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種航天器交會對接相對位姿測量方法，其特征在于，在所述步驟I中，采用雙目視覺定位法確定目標(biāo)航天器中任意兩條非共面直線在追蹤航天器坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值具體如下由追蹤航天器兩個攝像機C1與C2觀察到的目標(biāo)航天器上任意兩條非共面直線《、 在攝像機C1圖像坐標(biāo)下的值分別為4、4,，在攝像機C2圖像坐標(biāo)下的值分別為U、 L·，則直線/て為由攝像機C1坐標(biāo)系原點O1與/；#且成的平面S1和由攝像機C2坐標(biāo)系原點02與/^2組成的平面S2的交線,直線/2:為由攝像機C1坐標(biāo)系原點O1與/^,組成的平面S/和由攝像機C2坐標(biāo)系原點O2與ζ2,組成的平面S2'的交線，則/；、る在追蹤航天器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值可由下面兩個公式聯(lián)立得到
3.如權(quán)利要求I所述的ー種航天器交會對接相對位姿測量方法，其特征在于，在所述步驟2中，采用普呂克直線表示上述兩條非共面直線在目標(biāo)航天器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值的方法如下
4.如權(quán)利要求I所述的ー種航天器交會對接相對位姿測量方法，其特征在于，在所述步驟3中，采用普呂克直線表示兩條非共面直線在追蹤航天器攝像機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值的方法如下
5.如權(quán)利要求I所述的ー種航天器交會對接相對位姿測量方法，其特征在于，在所述步驟4中，采用普呂克直線方程確定這兩條直線在目標(biāo)航天器和追蹤航天器坐標(biāo)系下的相對位姿關(guān)系的方法具體如下跟蹤航天器和目標(biāo)航天器坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)和平移可用普呂克直線方程來表示，根據(jù)PlUc ker直線滿足
6.如權(quán)利要求I所述的航天器交會對接相對位姿測量方法，其特征在于，在所述步驟5中，采用奇異值分解的方法獲得單位對偶四元數(shù)6 來表示目標(biāo)航天器和追蹤航天器坐標(biāo)系間的 相對位姿，公式如下 供《'I:。
其中
全文摘要
本發(fā)明公開了一種航天器交會對接相對位姿測量方法，該方法將雙目視覺測量方法與普呂克直線方程相結(jié)合來進行航天器交會對接相對位姿的測量；首先采用雙目視覺算法計算得到目標(biāo)航天器中兩條非共面直線在追蹤航天器下的坐標(biāo)值，然后根據(jù)普呂克直線方程得到這兩條直線在兩個坐標(biāo)系下的相對位姿關(guān)系，最后通過采用奇異值分解的方法解算出兩個航天器的相對位姿信息，本發(fā)明由于采用普呂克直線方程和雙目視覺測量方法相結(jié)合對目標(biāo)航天器上的兩條異面直線進行測量來確定兩個航天器相對位置和姿態(tài)的方法，可以彌補傳統(tǒng)的航天器交會對接測量算法的缺陷，進一步提高算法的精度。
文檔編號G01B11/00GK102620656SQ20121011134
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者劉海穎, 李靜, 王惠南 申請人:南京航空航天大學(xué)