一種在軌服務(wù)相對(duì)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種可用于相對(duì)導(dǎo)航算法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的低成本半物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 屬于非合作航天器的相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類(lèi)的航天技術(shù)飛速發(fā)展，而日益復(fù)雜的空間任務(wù)對(duì)空間飛行器的性能和可靠性 提出了越來(lái)越高的要求。尤其是在復(fù)雜的空間環(huán)境下，如何保證空間飛行器持久而穩(wěn)定地 在軌運(yùn)行，已經(jīng)成為了航天領(lǐng)域中亟待攻克的重大技術(shù)問(wèn)題。眾所周知，設(shè)計(jì)缺陷、發(fā)射故 障、空間高能粒子等原因都可能導(dǎo)致空間飛行器故障、失效、甚至廢棄，無(wú)法執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)； 另一方面，燃料的消耗殆盡、元器件老化故障都可能縮短衛(wèi)星部件壽命，最終使整星失效而 成為太空垃圾。
[0003] 所以構(gòu)建空間在軌服務(wù)系統(tǒng)，開(kāi)展在軌服務(wù)以及相關(guān)技術(shù)的研究具有重大意義， 特別是在空間活動(dòng)日益頻繁的情況下，除了延長(zhǎng)空間飛行器的使用壽命之外，甚至還可以 提升航天器的性能。服務(wù)航天器在空間完成與故障航天器交會(huì)、對(duì)接和抓捕的過(guò)程，實(shí)際上 也是目標(biāo)識(shí)別，相對(duì)位姿精確測(cè)量與控制的過(guò)程，空間相對(duì)狀態(tài)確定和目標(biāo)辨識(shí)技術(shù)是成 功實(shí)施在軌服務(wù)的關(guān)鍵。
[0004] 相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可靠度和信息獲取與處理的實(shí)時(shí)性，對(duì)故障航天器在軌服 務(wù)的成敗有著直接的影響，同時(shí)所采用的測(cè)量傳感器需要滿(mǎn)足低功耗，小質(zhì)量，適合空間環(huán) 境等多方面的要求。目前，國(guó)外已經(jīng)有一些針對(duì)故障衛(wèi)星近距離操作的在軌試驗(yàn)，相對(duì)導(dǎo)航 傳感器以視覺(jué)傳感器為主。
[0005] 為了精確獲得空間故障航天器相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)信息，為在軌服務(wù)任務(wù)提供必 要的參數(shù)，已有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了基于視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)研究了故障衛(wèi)星相對(duì)位姿估計(jì)算 法。
[0006] 絕大多數(shù)的相對(duì)導(dǎo)航算法研究還停留在純仿真階段，而真實(shí)情況下的相對(duì)導(dǎo)航過(guò) 程中，還存在著諸多物理環(huán)節(jié)，為了最大程度真實(shí)地驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方法的有效性，提前消除設(shè) 計(jì)不足，半物理仿真實(shí)驗(yàn)就成了驗(yàn)證算法的最佳選擇，能夠精確模擬算法實(shí)際執(zhí)行的情況， 并且逼真度較高，對(duì)了解相對(duì)位姿估計(jì)算法的實(shí)際運(yùn)行效果具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義和參考價(jià) 值。
[0007] 目前在地面上驗(yàn)證在軌服務(wù)相對(duì)導(dǎo)航算法主要有2個(gè)途徑:一個(gè)是以德國(guó)DLR為代 表的利用大型機(jī)械臂和導(dǎo)軌來(lái)模擬兩個(gè)航天器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；另一個(gè)是利用三軸氣浮 臺(tái)，其中2個(gè)是平動(dòng)自由度，另1個(gè)是旋轉(zhuǎn)自由度，尚不能完全模擬3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn) 自由度。并且這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方法都需要高昂的成本投入。本發(fā)明專(zhuān)利利用了實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的三 軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和三維平移臺(tái)進(jìn)行二次集成，大大縮減了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的成本投入。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題的不足，提出一種在軌服務(wù)相對(duì)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及工作方法， 本發(fā)明能夠低成本地用于驗(yàn)證在軌服務(wù)相對(duì)導(dǎo)航方法的半物理實(shí)驗(yàn)，減少了高昂的實(shí)驗(yàn)成 本的投入。
[0009] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題提出的技術(shù)方案是：
[0010] -種在軌服務(wù)相對(duì)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、棋盤(pán)格標(biāo)定板、三軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)、 三維平移臺(tái)、仿真控制計(jì)算機(jī)、故障航天器等效裝置、雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)，其中：
[0011]所述棋盤(pán)格標(biāo)定板設(shè)置于手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上，故障航天器等效裝置安裝在三軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái) 上，故障航天器等效裝置表面安裝有用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)初次使用的標(biāo)定特征點(diǎn)群，該特征點(diǎn)群 由LED燈構(gòu)成。
[0012] 雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)用于對(duì)棋盤(pán)格標(biāo)定板的圖像采集、LED燈陣的圖像采集以及對(duì) 故障航天器等效裝置的圖像采集；
[0013] 所述三軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)模擬相對(duì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，三維平移臺(tái)模擬相對(duì)位置運(yùn)動(dòng)。
[0014] 仿真控制計(jì)算機(jī)用于根據(jù)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送相對(duì)姿態(tài)的初值和相對(duì)位置的初 值生成仿真場(chǎng)景并控制三軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和三維平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)；另外，仿真控制計(jì)算機(jī)還根據(jù)導(dǎo) 航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)推送的導(dǎo)航參數(shù)與仿真場(chǎng)景中的仿真真值比較，作為評(píng)價(jià)待驗(yàn)證算法性能的 依據(jù)；
[0015] 導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)采集的棋盤(pán)格標(biāo)定板的圖像對(duì)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的內(nèi)外參 數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航解算的基礎(chǔ);根據(jù)采集的LED燈陣圖像確定故障航天 器等效裝置與雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的相對(duì)姿態(tài)的初值和相對(duì)位置的初值，并將該初值發(fā)給仿 真控制計(jì)算機(jī);根據(jù)周期性采集的故障航天器等效裝置圖像地對(duì)兩個(gè)相機(jī)圖像進(jìn)行處理， 然后利用待驗(yàn)證的相對(duì)導(dǎo)航和辨識(shí)算法進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算，將導(dǎo)航結(jié)果發(fā)給仿真控制計(jì)算機(jī)。
[0016] 優(yōu)選的:所述雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)包括2臺(tái)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(tái)工業(yè)相機(jī)采集故障航天器等效裝置圖像。
[0017]優(yōu)選的：所述導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括視覺(jué)參數(shù)標(biāo)定模塊、圖像處理模塊和相對(duì)導(dǎo)航 算法驗(yàn)證模塊，其中：
[0018] 所述圖像處理模塊用于對(duì)棋盤(pán)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(jué)參數(shù)標(biāo)定模塊，所述視覺(jué)參數(shù)標(biāo)定模塊根據(jù)傳送的數(shù)據(jù)對(duì)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù) 進(jìn)行標(biāo)定，作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航解算的基礎(chǔ)；
[0019] 所述圖像處理模塊用于對(duì)LED燈陣采集圖像的處理，并將處理結(jié)果傳送給視覺(jué)參 數(shù)標(biāo)定模塊，所述視覺(jué)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(jué)系統(tǒng)的相對(duì)姿態(tài)的初值和相對(duì)位置的初值，并將初值傳送給仿真控制計(jì)算機(jī)；
[0020] 所述圖像處理模塊用于對(duì)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(duì)導(dǎo)航算法驗(yàn)證模塊，所述相對(duì)導(dǎo)航算法驗(yàn)證模塊根據(jù)傳送數(shù) 據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算，并將導(dǎo)航結(jié)果發(fā)給仿真控制計(jì)算機(jī)。
[0021] -種在軌服務(wù)相對(duì)導(dǎo)航工作方法，包括如下步驟：
[0022] 步驟1，通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和棋盤(pán)格標(biāo)定板對(duì)雙目立體視覺(jué)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、右相機(jī)相對(duì)測(cè)量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。 [00 23]步驟2,通過(guò)仿真控制計(jì)算機(jī)復(fù)位三軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，讓其姿態(tài)處于標(biāo)稱(chēng)零位。
[0024]步驟3,通過(guò)仿真控制計(jì)算機(jī)復(fù)位三維電動(dòng)平移臺(tái)，讓其位置處于標(biāo)稱(chēng)零位。
[0025] 步驟4,導(dǎo)航計(jì)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LED燈陣確定 故障航天器等效裝置與雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的相對(duì)姿態(tài)的初值和相對(duì)位置的初值。
[0026] 步驟5,仿真控制計(jì)算機(jī)利用步驟5中的得到的相對(duì)姿態(tài)初值、相對(duì)位置初值以及 仿真控制計(jì)算機(jī)生成的仿真場(chǎng)景通過(guò)相對(duì)姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型和相對(duì)軌道動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出 相對(duì)姿態(tài)和相對(duì)位置的姿態(tài)序列，然后將相應(yīng)的控制指令分別發(fā)給三軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)和三維平 移臺(tái)，從物理上模擬出服務(wù)航天器與故障航天器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
[0027] 步驟6,開(kāi)啟同步觸發(fā)電路，周期性地觸發(fā)2臺(tái)工業(yè)相機(jī)對(duì)故障航天器等效裝置成 像。
[0028] 步驟7,開(kāi)啟導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，周期性地對(duì)兩個(gè)相機(jī)圖像進(jìn)行處理，然后利用待驗(yàn) 證的相對(duì)導(dǎo)航和辨識(shí)算法進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算，將導(dǎo)航結(jié)果發(fā)給仿真控制計(jì)算機(jī)，仿真控制計(jì)算 機(jī)將導(dǎo)航結(jié)果與真值比較，作為評(píng)價(jià)待驗(yàn)證算法性能的依據(jù)。
[0029] 優(yōu)選的：所述步驟1左右相機(jī)分別相對(duì)測(cè)量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣的確定 方法:選左相機(jī)作為測(cè)量坐標(biāo)系，則可得到右相機(jī)相對(duì)測(cè)量坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。
[0030] 優(yōu)選的:所述步驟1中對(duì)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定的方法，包括以下步 驟：
[0031] 步驟11，將棋盤(pán)格標(biāo)定板安置在手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上。
[0032] 步驟12,旋轉(zhuǎn)步驟11安裝有棋盤(pán)格標(biāo)定板的手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，并保持。
[0033]步驟13，讓雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)中的兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)對(duì)步驟12中的棋盤(pán)格標(biāo)定板進(jìn)行 成像，并保存記錄圖像。
[0034] 步驟14,重復(fù)步驟12、13至少10次。
[0035] 步驟15,對(duì)步驟14重復(fù)得到2個(gè)相機(jī)的圖片進(jìn)行標(biāo)定處理，通過(guò)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)計(jì)算出 雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的內(nèi)外參數(shù)。
[0036] 優(yōu)選的：所述步驟4中確定故障航天器等效裝置與雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的相對(duì)姿態(tài) 的初值和相對(duì)位置初值的方法。
[0037]步驟41，點(diǎn)亮在故障航天器等效裝置上的LED燈陣，形成明顯的標(biāo)定特征點(diǎn)陣。 [0038]步驟42,利用雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)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)，在利用三維重建技術(shù)計(jì)算出每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值。
[0039]步驟43,利用測(cè)量得到的特征點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算各個(gè)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(duì)應(yīng)的兩個(gè)LED燈之間的已知距離進(jìn)行比較，如果 該比較值大于設(shè)定的門(mén)限，則說(shuō)明平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)精度不夠，返回步驟11)。如果該比較值小于 一定門(mén)限，則進(jìn)入后續(xù)實(shí)驗(yàn)步驟。
[0040] 步驟44,根據(jù)步驟43得到的滿(mǎn)足門(mén)限的特征點(diǎn)陣的坐標(biāo)值，計(jì)算出雙目立體視覺(jué) 系統(tǒng)的測(cè)量坐標(biāo)系和故障衛(wèi)星之間的相對(duì)姿態(tài)、相對(duì)位置的初值，并將值發(fā)送給仿真控制 計(jì)算機(jī)。
[0041] 步驟45,關(guān)閉LED燈陣，完成確定故障航天器等效裝置與雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)的相對(duì) 姿態(tài)的初值和相對(duì)位置的初值。
[0042]優(yōu)選的:所述步驟42中利用三維重建技術(shù)計(jì)算出每個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值方法如下： [0043]將2臺(tái)工業(yè)相機(jī)分為左右相機(jī)，LED燈陣在右相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（XR^ym Z