用于交会对接实验平台的相对运动测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于交会对接实验平台的相对运动测量系统，属于航空宇航科学与技术的航天器轨道动力学与控制领域。首先，根据交会对接实验平台和航天器模型确定标志灯布局，然后根据运动平台相对运动范围和标志灯布局方案确定相机与镜头参数，最后应用基于运动图像解算相对位置和相对姿态。本发明采用了LED灯、CCD相机等市场成熟产品集成测量设备，建设经费少，测量精度高，且运行稳定。
【专利说明】用于交会对接实验平台的相对运动测量系统
【技术领域】
[0001]本发明属于航天器轨道动力学与控制领域，具体涉及用于交会对接实验平台相对位置、相对姿态等参数测量的设备系统。
【背景技术】
[0002]随着交会对接、在轨服务等航天型号任务的相继实施，国内众多科研院所研制了用于交会对接、在轨服务等相对运动地面实验平台，在实验过程中，需要对两航天器模型的相对位置、相对姿态等运动参数进行测定。
[0003]目前，用于航天器模型非接触相对运动测量的设备包括微波雷达、激光雷达等，其中，微波雷达和激光雷达设备造价昂贵，且重量较大，对于缩比相对运动地面实验平台难以适用，对于一般的科研院所，也难以承受高昂的建设费用。
[0004]经文献查询，目前尚无公开文献涉及地面相对运动实验平台的同类测量设备。本文中提到的坐标系及坐标转换关系，是本领域人员的基本知识，不再进行具体阐述。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种用于交会对接实验平台相对测量系统。本发明采用LED灯加CCD相机的方案对实验平台相对运动参数进行测量，并研制了较为通用的实验平台相对运动参数测量的系统。
[0006]本发明的技术方案如下:一种用于交会对接实验平台的相对运动测量系统。
[0007]第一步:根据实验平台与模型确定标志灯布局与相机参数
该系统可用于对具有相对运动的实验平台进行相对运动参数测量，在具有相对运动的实验平台的两端分别安装标志灯和相机，通过相机测量标志灯在图像中的位置来解算相对位置和相对姿态。
[0008]为了获得三个方向的相对位置，必须配备3个以上的标志灯，为了考虑冗余和安装方便，本发明采用远场标志灯组和近场标志灯两组，每组6个非共面标志灯构型的布局方案，其中远场标志灯用于远距离测量，而近场标志灯用于近距离测量。如图1所示，图中的T2、T3、T5和Τ6为远场共面标志灯，布置在广Z平面内，而Tl和Τ4为非共面标志灯，它们的f坐标要大于零。非共面标志灯构型的解算方程确定相对简单，相对状态确定的精度较高，可适应更大的影像点坐标偏差与更远的相对距离。同时，基准面的尺寸越大，标志点的间距越大，相对状态确定精度越高。非共面标志灯(图1中远场标志灯组Tl和T4)的位置分布对相对状态确定精度有重要影响。在合理的范围内，突出标志灯距离基准面越远相对姿态确定精度越高。
[0009]同时考虑到远场和近场的测量需要，整个标志灯系统可由两组标志灯构成，其中基准面较大的一组是远场标志灯组，安装时其基准面中心位于目标航天器的轴线上，模拟较远距离时的测量标志灯；基准面较小的一组标志灯是近场标志灯组，可安装在航天器模型轴线的正下方，用于模拟较近距离时的测量标志灯。远场和近场标志灯组安装位置如图I所示。当运动距离较短，通过合理选取相机与镜头参数，也可仅安装一组标志灯。
[0010]当航天器模型尺寸变化时，需要将图1中的标志灯分布尺寸进行适应性调整，同时，需更新测量计算程序中标志灯位置参数，即可满足测量与安装要求，且测量计算程序无需任何修改即可正确运行。
[0011]标志灯布局方案确定后，需要根据运动平台相对运动范围确定相机的焦距、视场角和分辨率等主要参数。首先CCD相机主要是用于对合作目标LED灯的观测，获得灰度图即可，并不需要对颜色进行处理，所以选用的相机首先确定是黑白相机。相机分辨率方面，由于需要获得标志灯在照片中的像素坐标，再进一步变换到C⑶成像芯片上的实际坐标，所以相机的分辨率对测量结果影响较大，所以需要采用较高分辨率的相机，分辨率1024*768以上。在帧频方面，由于该测量系统需要进行实时测量，所以帧频要尽量的高，帧频50赫兹以上，但是考虑到图像处理的速度问题。在相机的镜头选取方面，需要保证标志灯既能在照片中被区分开，同时在一定的距离和姿态角的变化范围内，标志灯不超出相机的视场。
[0012]第二步:提取相平面内标志灯坐标
该测量系统选用的CCD相机获得的图像是灰度图像，因为可能存在噪声的影响，首先利用QTSU算法对图像进行二值化，然后在高斯模板对图像中的亮斑进行检查，获取亮斑的坐标，最后在对获得的坐标进行拟合。在对亮斑的检测过程中还要根据其高斯响应值选择响应值最大的一部分斑点，以进一步排除噪声的干扰。
[0013]由于在测量过程中，标志灯在相机获得的照片中的相对位置是不变的，因此，要对由图像处理得到的标志点在照片坐标系中的坐标进行比较，匹配出各坐标对应的标志点。
[0014]如图2所示，设标志点巧(Ι = 1,2....6)的像点在照片坐标系中的位置矢量记为
,在经过处理得到各标志点在照片上的坐标后，可依据如下关系进行匹配。
[0015]以远场标志灯组的匹配过程为例，标志灯匹配方法为:在远场标志灯组中通过对 万向的坐标进行比较，最小的两个是标志点Τ2和Τ3 ,最大的两个是Τ5和Τ6。中间的
两个就是Tl和Τ4 ;然后，再比较万向的值，Τ2和Τ3中小的一个是Τ2 , Τ5和Τ6中小
的一个是Τ6，Tl和Τ4中小的一个是Tl。近场标志灯匹配方法类似。
[0016]第三步:根据运动图像解算实验平台的相对运动参数 相对运动参数解算可以分为如下步骤来进行。
[0017](I)构建测距方程
根据镜头坐标系与空间坐标透视关系，可引入下列符号(其中
【权利要求】
1.用于交会对接实验平台的相对运动测量系统，采用LED灯加CCD相机的方法对实验平台相对运动参数进行测量，其特征在于，该测量系统具体包括: 第一步:根据实验平台与模型确定标志灯布局与相机参数；具体为，在具有相对运动的实验平台的两端分别安装标志灯和相机，通过相机测量标志灯在图像中的位置来解算相对位置和相对姿态，整个标志灯系统采用两组标志灯构成，其中基准面较大的一组是远场标志灯组，安装时其基准面中心位于目标航天器的轴线上，模拟较远距离时的测量标志灯；基准面较小的一组标志灯是近场标志灯组，安装在航天器模型轴线的正下方，用于模拟较近距离时的测量标志灯； 相机参数为:选用黑白相机，分辨率1024*768以上，帧频50赫兹以上； 第二步:提取相平面内标志灯坐标；首先利用QTSU算法对图像进行二值化，然后在高斯模板对图像中的亮斑进行检查，获取亮斑的坐标，最后在对获得的坐标进行拟合；然后对由图像处理得到的标志点在照片坐标系中的坐标进行比较，匹配出各坐标对应的标志占.第三步:根据运动图像解算实验平台的相对运动参数。
2.根据权利要求1所述的用于交会对接实验平台的相对运动测量系统，其特征在于，匹配出各坐标对应的标志点，具体方法如下: 设标志点Ci= 1,2---6)的像点在照片坐标系中的位置矢量记为
3.根据权利要求1所述的用于交会对接实验平台的相对运动测量系统，其特征在于， 相对运动参数解算包括如下步骤， (1)构建测距方程 根据镜头坐标系与空间坐标透视关系，引入下列符号(其中i= 1,2-..., j=i + X-n ) 首先，计算第i个标志灯在镜头坐标系中的距离为
【文档编号】G01B11/00GK103822582SQ201410076166
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】黄海兵, 唐国金, 李海阳, 伍小君 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学