基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法，包括以下步骤：步骤一，通过立体视觉三维重构，计算所观测和提取到的目标特征点在跟踪航天器坐标系下的位置坐标，完成相对位置计算；步骤二，每一时刻以观测到的四个特征点中的任意三个点建立坐标系，并计算每两个坐标系之间的姿态矩阵；步骤三，计算当前时刻目标本体坐标系相对跟踪航天器坐标系的姿态，即完成非合作目标相对姿态接力解算。本发明能够完成非合作目标，包括航天器、空间碎片等相对位置和姿态的解算。
【专利说明】基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种接力方法，具体地，涉及一种基于多目视觉的相对位置和姿态的 特征接力方法。
【背景技术】
[0002] 随着航天技术尤其是载人航天技术和空间站的发展，空间交会对接技术已经成为 各航天大国发展的重要领域，是成功开展空间组装、空间救援、空间站航天员更换及物资补 给等在轨服务的先决条件和重要保障。具有非合作目标交会应用背景的航天器之间无人自 主交会对接技术更是在清理空间碎片，修理故障卫星，深空探测和小行星着陆等航天任务 中发挥着至关重要的作用。完成这些任务的重要前提就是高精度地确定出跟踪航天器和非 合作目标的相对位置和姿态。
[0003] 视觉测量技术把图像当作检测和传递信息的手段或载体加以利用，从图像中提取 有用的信号，通过处理被测图像而获得所需的各种参数。具有非接触、全视场测量、高精度 和自动化程度高的特点。非合作目标本身、太阳帆板、星箭对接环、远地点发动机、帆板支架 或天线支架等均可作为特征点被多目视觉系统进行识别和提取，从而为基于多目视觉的非 合作目标相对位置和姿态确定提供了可能。
[0004] 目前，基于多目视觉的姿态确定研宄多是针对合作目标，即使极少数基于多目视 觉的非合作目标姿态确定研宄仍需要事先获知目标航天器的整体几何模型信息，因此只适 用于狭义的非合作目标。仅依靠多目视觉系统完成未知模型的广义非合作目标的相对位置 和姿态解算技术尚未见相关报道。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多目视觉的相对位置和姿 态的特征接力方法，其能够完成非合作目标，包括航天器、空间碎片等相对位置和姿态的解 算。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供一种基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方 法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] 步骤一，通过立体视觉三维重构，计算所观测和提取到的目标特征点在跟踪航天 器坐标系下的位置坐标，完成相对位置计算；
[0008] 步骤二，每一时刻以观测到的四个特征点中的任意三个点建立坐标系，并计算每 两个坐标系之间的姿态矩阵；
[0009] 步骤三，计算当前时刻目标本体坐标系相对跟踪航天器坐标系的姿态，即完成非 合作目标相对姿态接力解算。
[0010] 优选地，所述步骤一中跟踪航天器双目视觉系统通过对目标航天器图像的拍摄和 特征点的提取，得到特征点在焦平面上图像点的位置坐标，然后通过三维重构算法求解出 特征点在跟踪坐标系下的坐标，完成相对位置计算。
[0011] 优选地，所述位置坐标是三维坐标。
[0012] 优选地，所述步骤二中以首次观测到的三个特征点建立的坐标系作为非合作目标 本体坐标系；每时刻观测到的四个特征点，以其中的任意三个特征点建立坐标系，一共可建 立四个坐标系；每一时刻都要求取任意两个坐标系之间的姿态矩阵，这样在下一时刻到来 时四个特征点中不管哪一个消失，都会剩余一个坐标系进行连续接力。
[0013] 优选地，所述步骤三中利用当前时刻特征点所建立的坐标系与跟踪航天器坐标系 之间的姿态矩阵，根据刚体转动的性质，结合当前时刻特征点坐标系与非合作目标本体坐 标系之间的姿态矩阵，求出当前时刻非合作目标本体坐标系相对跟踪航天器坐标系的姿态 矩阵，进而求出姿态角，完成姿态解算。
[0014] 优选地，所述非合作目标是故障卫星或空间碎片。
[0015] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：（1)适用范围广泛。适用于任何 非合作目标作任意姿态机动的情况，不需要事先知晓非合作目标的整体几何模型等相关信 息。（2)解算方法简单有效。仅依靠双目视觉系统的拍摄、特征提取、三维重构即可实现对 非合作目标相对位置和姿态的解算。（3)本发明解决了非合作目标特征点接力问题，仅依靠 多目视觉系统即可解算出非合作目标的相对位置和姿态，算法简单、适用范围广。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0017] 图1是双目视觉系统空间点三维坐标计算示意图；
[0018] 图2(a)、图2(b)、图2(c)分别是非合作目标相对不同位姿解算示意图；
[0019] 图3是本发明基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法的流程图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0021] 本发明基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法包括以下步骤：
[0022] 步骤一，通过立体视觉三维重构，计算所观测和提取到的目标特征点在跟踪航天 器坐标系下的位置坐标，完成相对位置计算；其中，步骤一中跟踪航天器双目视觉系统通过 对目标航天器图像的拍摄和特征点的提取，得到特征点在焦平面上图像点的位置坐标，然 后通过三维重构算法求解出特征点在跟踪坐标系下的坐标，完成相对位置计算，可以实时 得到特征点的位置坐标。位置坐标是三维坐标。
[0023] 步骤二，每一时刻以观测到的四个特征点中的任意三个点建立坐标系，并计算每 两个坐标系之间的姿态矩阵；其中，步骤二中以首次观测到的三个特征点建立的坐标系作 为非合作目标本体坐标系；每时刻观测到的四个特征点，以其中的任意三个特征点建立坐 标系，一共可建立四个坐标系；每一时刻都要求取任意两个坐标系之间的姿态矩阵，这样在 下一时刻到来时四个特征点中不管哪一个消失，都会剩余一个坐标系进行连续接力。
[0024] 步骤三，计算当前时刻目标本体坐标系相对跟踪航天器坐标系的姿态，即完成非 合作目标相对姿态接力解算。其中，步骤三中利用当前时刻特征点所建立的坐标系与跟踪 航天器坐标系之间的姿态矩阵，根据刚体转动的性质，结合当前时刻特征点坐标系与非合 作目标本体坐标系之间的姿态矩阵，求出当前时刻非合作目标本体坐标系相对跟踪航天器 坐标系的姿态矩阵，进而求出姿态角，完成姿态解算。
[0025] 结合图1?3描述本发明的实施例，本发明基于多目视觉的相对位置和姿态的特 征接力方法流程图如图3所示，包括以下步骤：
[0026] 步骤一、计算所观测和提取到的特征点在跟踪坐标系下的三维坐标。
[0027] 本发明涉及到如下的坐标系：跟踪航天器左、右摄像机坐标系 Ok-XkYkZk，左、右图像平面坐标系Ol-UlVl和0K-UKVK，跟踪航天器本体坐标系Oc-XcYcZc、非 目标本体坐标系Ot-XtYtZt、由可观测特征点建立的多个坐标系Oi-XiYiZi(i= 1，2, 3. ..η)。
[0028] 如图1所示，设跟踪航天器本体坐标系Oc-XcYcZc与左摄像机坐标系0「XJA重合， 像平面坐标系(\-队\与0f行，Ol为0 与像平面Ii的交点，有效焦距为fi，像 平面坐标系Ok-UkVk与0K-XKYKZK平行，0 0KZK轴与像平面I2的交点，有效焦距为f2，且有 f\=ff，P点在跟踪航天器本体坐标系的坐标为（X，y，z)。0 标系与0K-XKYKZK 坐标系之间的旋转矩阵为R，原点之间的平移变换矢量为t，具体如下式（1)和（2):
【权利要求】
1. 一种基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法，其特征在于，包括以下步 骤： 步骤一，通过立体视觉三维重构，计算所观测和提取到的目标特征点在跟踪航天器坐 标系下的位置坐标，完成相对位置计算； 步骤二，每一时刻以观测到的四个特征点中的任意三个点建立坐标系，并计算每两个 坐标系之间的姿态矩阵； 步骤三，计算当前时刻目标本体坐标系相对跟踪航天器坐标系的姿态，即完成非合作 目标相对姿态接力解算。
2. 根据权利要求1所述的基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法，其特征 在于，所述步骤一中跟踪航天器双目视觉系统通过对目标航天器图像的拍摄和特征点的提 取，得到特征点在焦平面上图像点的位置坐标，然后通过三维重构算法求解出特征点在跟 踪坐标系下的坐标，完成相对位置计算。
3. 根据权利要求1所述的基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法，其特征在 于，所述位置坐标是三维坐标。
4. 根据权利要求1所述的基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法，其特征在 于，所述步骤二中以首次观测到的三个特征点建立的坐标系作为非合作目标本体坐标系； 每时刻观测到的四个特征点，以其中的任意三个特征点建立坐标系，一共可建立四个坐标 系；每一时刻都要求取任意两个坐标系之间的姿态矩阵，这样在下一时刻到来时四个特征 点中不管哪一个消失，都会剩余一个坐标系进行连续接力。
5. 根据权利要求1所述的基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法，其特征在 于，所述步骤三中利用当前时刻特征点所建立的坐标系与跟踪航天器坐标系之间的姿态矩 阵，根据刚体转动的性质，结合当前时刻特征点坐标系与非合作目标本体坐标系之间的姿 态矩阵，求出当前时刻非合作目标本体坐标系相对跟踪航天器坐标系的姿态矩阵，进而求 出姿态角，完成姿态解算。
6. 根据权利要求1所述的基于多目视觉的相对位置和姿态的特征接力方法，其特征在 于，所述非合作目标是故障卫星或空间碎片。
【文档编号】G01C21/24GK104457761SQ201410658370
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】谭天乐, 吴猛, 谭龙玉, 朱东方, 王卫华, 耿淼, 宋婷 申请人:上海新跃仪表厂