一种在轨服务相对导航实验平台及工作方法

文档序号:9825010阅读:611来源:国知局
一种在轨服务相对导航实验平台及工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种可用于相对导航算法的实验验证的低成本半物理仿真实验平台, 属于非合作航天器的相对导航技术领域。
【背景技术】
[0002] 人类的航天技术飞速发展,而日益复杂的空间任务对空间飞行器的性能和可靠性 提出了越来越高的要求。尤其是在复杂的空间环境下,如何保证空间飞行器持久而稳定地 在轨运行,已经成为了航天领域中亟待攻克的重大技术问题。众所周知,设计缺陷、发射故 障、空间高能粒子等原因都可能导致空间飞行器故障、失效、甚至废弃,无法执行目标任务; 另一方面,燃料的消耗殆尽、元器件老化故障都可能缩短卫星部件寿命,最终使整星失效而 成为太空垃圾。
[0003] 所以构建空间在轨服务系统,开展在轨服务以及相关技术的研究具有重大意义, 特别是在空间活动日益频繁的情况下,除了延长空间飞行器的使用寿命之外,甚至还可以 提升航天器的性能。服务航天器在空间完成与故障航天器交会、对接和抓捕的过程,实际上 也是目标识别,相对位姿精确测量与控制的过程,空间相对状态确定和目标辨识技术是成 功实施在轨服务的关键。
[0004] 相对导航系统的精度、可靠度和信息获取与处理的实时性,对故障航天器在轨服 务的成败有着直接的影响,同时所采用的测量传感器需要满足低功耗,小质量,适合空间环 境等多方面的要求。目前,国外已经有一些针对故障卫星近距离操作的在轨试验,相对导航 传感器以视觉传感器为主。
[0005] 为了精确获得空间故障航天器相对位置和相对姿态信息,为在轨服务任务提供必 要的参数,已有很多国内外学者开展了基于视觉测量系统研究了故障卫星相对位姿估计算 法。
[0006] 绝大多数的相对导航算法研究还停留在纯仿真阶段,而真实情况下的相对导航过 程中,还存在着诸多物理环节,为了最大程度真实地验证所设计方法的有效性,提前消除设 计不足,半物理仿真实验就成了验证算法的最佳选择,能够精确模拟算法实际执行的情况, 并且逼真度较高,对了解相对位姿估计算法的实际运行效果具有极强的指导意义和参考价 值。
[0007] 目前在地面上验证在轨服务相对导航算法主要有2个途径:一个是以德国DLR为代 表的利用大型机械臂和导轨来模拟两个航天器之间的相对运动;另一个是利用三轴气浮 台,其中2个是平动自由度,另1个是旋转自由度,尚不能完全模拟3个平动自由度和3个旋转 自由度。并且这两个实验方法都需要高昂的成本投入。本发明专利利用了实验室常见的三 轴电动转台和三维平移台进行二次集成,大大缩减了实验平台的成本投入。

【发明内容】

[0008] 本发明针对上述问题的不足,提出一种在轨服务相对导航实验平台及工作方法, 本发明能够低成本地用于验证在轨服务相对导航方法的半物理实验,减少了高昂的实验成 本的投入。
[0009] 本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是:
[0010] -种在轨服务相对导航实验平台,包括手动转台、棋盘格标定板、三轴电动转台、 三维平移台、仿真控制计算机、故障航天器等效装置、双目立体视觉系统与导航计算机系 统,其中:
[0011]所述棋盘格标定板设置于手动转台上,故障航天器等效装置安装在三轴电动转台 上,故障航天器等效装置表面安装有用于实验平台初次使用的标定特征点群,该特征点群 由LED灯构成。
[0012] 双目立体视觉系统用于对棋盘格标定板的图像采集、LED灯阵的图像采集以及对 故障航天器等效装置的图像采集;
[0013] 所述三轴电动转台模拟相对姿态运动,三维平移台模拟相对位置运动。
[0014] 仿真控制计算机用于根据导航计算机系统发送相对姿态的初值和相对位置的初 值生成仿真场景并控制三轴电动转台和三维平移台运动;另外,仿真控制计算机还根据导 航计算机系统推送的导航参数与仿真场景中的仿真真值比较,作为评价待验证算法性能的 依据;
[0015] 导航计算机系统根据采集的棋盘格标定板的图像对双目立体视觉系统的内外参 数进行标定,作为导航计算机实现导航解算的基础;根据采集的LED灯阵图像确定故障航天 器等效装置与双目立体视觉系统的相对姿态的初值和相对位置的初值,并将该初值发给仿 真控制计算机;根据周期性采集的故障航天器等效装置图像地对两个相机图像进行处理, 然后利用待验证的相对导航和辨识算法进行导航计算,将导航结果发给仿真控制计算机。
[0016] 优选的:所述双目立体视觉系统包括2台工业相机、同步触发电路,其中,同步触发 电路用于周期性地触发2台工业相机采集故障航天器等效装置图像。
[0017]优选的:所述导航计算机系统包括视觉参数标定模块、图像处理模块和相对导航 算法验证模块,其中:
[0018] 所述图像处理模块用于对棋盘格标定板采集图像的处理,并将处理数据传送给视 觉参数标定模块,所述视觉参数标定模块根据传送的数据对双目立体视觉系统的内外参数 进行标定,作为导航计算机实现导航解算的基础;
[0019] 所述图像处理模块用于对LED灯阵采集图像的处理,并将处理结果传送给视觉参 数标定模块,所述视觉参数标定模块根据传送的数据确定故障航天器等效装置与双目立体 视觉系统的相对姿态的初值和相对位置的初值,并将初值传送给仿真控制计算机;
[0020] 所述图像处理模块用于对故障航天器等效装置周期性采集的图像进行处理,并将 该处理得到的数据传送给相对导航算法验证模块,所述相对导航算法验证模块根据传送数 据进行导航计算,并将导航结果发给仿真控制计算机。
[0021] -种在轨服务相对导航工作方法,包括如下步骤:
[0022] 步骤1,通过手动转台和棋盘格标定板对双目立体视觉系统进行内外参数的标定, 该内外参数包括左右相机的有效焦距、右相机相对测量坐标系的旋转矩阵和平移矩阵。 [00 23]步骤2,通过仿真控制计算机复位三轴电动转台,让其姿态处于标称零位。
[0024]步骤3,通过仿真控制计算机复位三维电动平移台,让其位置处于标称零位。
[0025] 步骤4,导航计算机根据标定的内外参数和故障航天器等效装置上的LED灯阵确定 故障航天器等效装置与双目立体视觉系统的相对姿态的初值和相对位置的初值。
[0026] 步骤5,仿真控制计算机利用步骤5中的得到的相对姿态初值、相对位置初值以及 仿真控制计算机生成的仿真场景通过相对姿态动力学模型和相对轨道动力学模型计算出 相对姿态和相对位置的姿态序列,然后将相应的控制指令分别发给三轴电动转台和三维平 移台,从物理上模拟出服务航天器与故障航天器之间的相对运动。
[0027] 步骤6,开启同步触发电路,周期性地触发2台工业相机对故障航天器等效装置成 像。
[0028] 步骤7,开启导航计算机系统,周期性地对两个相机图像进行处理,然后利用待验 证的相对导航和辨识算法进行导航计算,将导航结果发给仿真控制计算机,仿真控制计算 机将导航结果与真值比较,作为评价待验证算法性能的依据。
[0029] 优选的:所述步骤1左右相机分别相对测量坐标系的旋转矩阵和平移矩阵的确定 方法:选左相机作为测量坐标系,则可得到右相机相对测量坐标系的旋转矩阵和平移矩阵。
[0030] 优选的:所述步骤1中对双目立体视觉系统进行内外参数标定的方法,包括以下步 骤:
[0031] 步骤11,将棋盘格标定板安置在手动转台上。
[0032] 步骤12,旋转步骤11安装有棋盘格标定板的手动转台,并保持。
[0033]步骤13,让双目立体视觉系统中的两台工业相机对步骤12中的棋盘格标定板进行 成像,并保存记录图像。
[0034] 步骤14,重复步骤12、13至少10次。
[0035] 步骤15,对步骤14重复得到2个相机的图片进行标定处理,通过导航计算机计算出 双目立体视觉系统的内外参数。
[0036] 优选的:所述步骤4中确定故障航天器等效装置与双目立体视觉系统的相对姿态 的初值和相对位置初值的方法。
[0037]步骤41,点亮在故障航天器等效装置上的LED灯阵,形成明显的标定特征点阵。 [0038]步骤42,利用双目立体视觉系统对故障航天器等效装置表面的标定特征点阵成 像,提取特征点,在利用三维重建技术计算出每个特征点的坐标值。
[0039]步骤43,利用测量得到的特征点的坐标值计算各个特征点之间的距离并求和,得 到的和值与故障航天器等效装置表面上对应的两个LED灯之间的已知距离进行比较,如果 该比较值大于设定的门限,则说明平台的实验精度不够,返回步骤11)。如果该比较值小于 一定门限,则进入后续实验步骤。
[0040] 步骤44,根据步骤43得到的满足门限的特征点阵的坐标值,计算出双目立体视觉 系统的测量坐标系和故障卫星之间的相对姿态、相对位置的初值,并将值发送给仿真控制 计算机。
[0041] 步骤45,关闭LED灯阵,完成确定故障航天器等效装置与双目立体视觉系统的相对 姿态的初值和相对位置的初值。
[0042]优选的:所述步骤42中利用三维重建技术计算出每个特征点的坐标值方法如下: [0043]将2台工业相机分为左右相机,LED灯阵在右相机坐标系下的坐标为(XR^ym Z
当前第1页1 2 3 4 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1