深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置及方法与流程

技术特征：

1.一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置，其特征在于，包括：电机(1)、导轨(2)、丝杠(3)、两个Y横梁(4)、X横梁(5)、四个Z横梁(6)、支架(7)、摄像机(8)、气浮平台(9)、气浮轴承(10)、大理石平台(11)、四个基座(12)和标志点(13)，所述四个Z横梁(6)竖直设置，每个Z横梁(6)的上端设有一个电机(1)，每个Z横梁(6)的下端与一个基座(12)固定连接，每个Z横梁(6)上设有一个导轨(2)和一个丝杠(3)，丝杠(3)的一端与电机(1)的输出端相连接，丝杠(3)与导轨(2)相啮合，导轨(2)与Z横梁(6)固定连接；两个Y横梁(4)相互平行设置在两两相对的Z横梁(6)上的导轨(2)上且与导轨(2)滑动连接；

每个Y横梁(4)上设有一个电机(1)、一个导轨(2)和一个丝杠(3)，丝杠(3)的一端与电机(1)的输出端相连接，丝杠(3)与导轨(2)相啮合，导轨(2)与Y横梁(4)固定连接；X横梁(5)的一端与一侧的Y横梁(4)的导轨(2)滑动连接，X横梁(5)的另一端与另一侧的Y横梁(4)的导轨(2)滑动连接；

X横梁(5)上设有一个电机(1)、一个导轨(2)和一个丝杠(3)，丝杠(3)的一端与电机(1)的输出端相连接，丝杠(3)与导轨(2)相啮合，导轨(2)与X横梁(5)固定连接；

支架(7)与X横梁(5)上的导轨(2)滑动连接，摄像机(8)固定在支架(7)的下端，大理石平台(11)设置在四个基座(12)围成的空间内的下部，大理石平台(11)的上端设有气浮轴承(10)，气浮轴承(10)的上端设有气浮平台(9)，标志点(13)固定在气浮平台(9)的上端，摄像机(8)与标志点(13)上下对应。

2.根据权利要求1所述的深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置，其特征在于，所述标志点(13)为三个，三个标志点(13)一字型排列固定在气浮平台(9)上端的中心位置。

3.一种使用根据权利要求1所述的深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置的测量方法，其特征在于，当气浮平台产生一定的平动或转动时，摄像机通过将当前标志点的图像进行去畸变，二值化，求质心处理，得到三个标志点的几何中心在摄像机成像面上的像素坐标，通过建立三维模型，由三个像素坐标得到三个标志点几何中心在世界坐标系中的空间三维坐标；

O_c为摄像机光心，测量光标记为A、B、C，O_cA，O_cB，O_cC之间的夹角分别为α,β,γ；已知|BC|＝a，|AC|＝b，|AB|＝c，由摄像机内参数计算得到α,β,γ的值，设A、B、C与光心O_c之间连线的长度分别记为x,y,z，则以下方程成立：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2-2xycos\mathrm{\α}=c^2\\ x^2+z^2-2xzcos\mathrm{\β}=b^2\\ y^2+z^2-2yzcos\mathrm{\γ}=a^2\end{array}\right.$

当A、B、C构成等腰三角形关系，且摄像机在某些特定区域时，方程组具有唯一解，形式如下：

$\begin{array}{ccc}\left\{\begin{array}{c}y=x\cos \mathrm{\α}+{(c^2-x^2{\sin }^2\mathrm{\α})}^{\frac{1}{2}}\\ z=x\cos \mathrm{\β}+{(b^2-x^2{\sin }^2\mathrm{\β})}^{\frac{1}{2}}\\ y^2+z^2-2yz\cos \mathrm{\γ}=a^2\end{array}\right.& or& \left\{\begin{array}{c}y=x\cos \mathrm{\α}-{(c^2-x^2{\sin }^2\mathrm{\α})}^{\frac{1}{2}}\\ z=x\cos \mathrm{\β}-{(b^2-x^2{\sin }^2\mathrm{\β})}^{\frac{1}{2}}\\ y^2+z^2-2yz\cos \mathrm{\γ}=a^2\end{array}\right.\end{array}$

满足上述解的形式时，摄像机相对于标志物的位置：AK垂直于AC，AJ垂直于AB，且AK，AJ都在平面ABC上，直线L过点A且垂直于平面ABC，直线L和射线AK构成平面α，直线L和射线AJ构成平面β，平面π1和平面π2所夹的空间区域称为V；当光心O_c出现在V区域时，对应解的形式为方程组一；同理，对应方程组二，光心O_c位于空间W处；

应用牛顿迭代法从上述方程组中解得A、B、C与光心O_c之间连线的长度x,y,z；利用相似三角形原理，可以得到A，B，C三点在摄像机坐标系下的坐标分别为：

$X_{c,A}=\frac{x\left|A_x^{\′}-u_0\right|}{\left|O_c{A}^{\′}\right|},y_{c,A}=\frac{x\left|A_y^{\′}-v_0\right|}{\left|O_C{A}^{\′}\right|},z_{c,A}=\frac{xf}{\left|O_C{A}^{\′}\right|}$

$X_{c,B}=\frac{y\left|B_x^{\′}-u_0\right|}{\left|O_c{B}^{\′}\right|},y_{c,A}=\frac{y\left|B_y^{\′}-v_0\right|}{\left|O_c{B}^{\′}\right|},z_{c,A}=\frac{yf}{\left|O_c{B}^{\′}\right|}$

$X_{c,C}=\frac{z\left|C_x^{\′}-u_0\right|}{\left|O_c{C}^{\′}\right|},y_{c,C}=\frac{z\left|C_y^{\′}-v_0\right|}{\left|O_c{C}^{\′}\right|},z_{c,C}=\frac{zf}{\left|O_c{C}^{\′}\right|}$

其中，(A′_x,A′_y),(B′_x,B′_y),(C′_x,C′_y)分别三个像点的图像像素坐标，(u_o,v_o)是摄像机光轴O_cO与成像面交点O，f是摄像机焦距，将这三个坐标作为反馈信息传给横梁上对应的电机，使电机带动丝杠产生相应的位移，从而使得摄像机能够始终跟随气浮平台的平动，并且保证摄像机调整与标志点的高度差，通过由摄像机坐标系到世界坐标系的坐标变换得到三个标志点在世界坐标系中的坐标变化情况，并由此解算出气浮平台的转动角度。