深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置及方法与流程

本发明涉及一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置及方法，属于着陆模拟器位姿测量装置及方法技术领域。

背景技术：

现代航天深空探测任务要求进行行星着陆探测，航天器从环绕轨道进入火星大气直至降落在火星上是一个复杂的运动过程，在这个过程中着陆器需要面对复杂多变的火星环境和突发条件，并且需要进行轨道姿态的调控，着陆是否成功直接关系到探测任务的成败。因此，设计火星捕获制动与器器分离全物理仿真试验系统，对火星探测捕获制动阶段和器器分离阶段的减速制动、安全分离等控制而开展的仿真验证便显得尤为重要。

行星着陆模拟器采用两个运动模拟器分别来模拟环绕器与着陆器。运动模拟器在轨道稳定支撑系统上运动，在水平面内实现三自由度运动，包括X，Y方向平动和绕Z轴转动。为实现对模拟器的闭环控制，需要通过测量系统得到模拟器的轨道和姿态。测量系统的精度决定了整个控制系统的精度，因此，设计高精度且稳定可靠的测量系统是非常重要的。

论文“基于单目视觉的位姿测量方法及仿真系统研究”(哈尔滨工业大学硕士学位论文，马国松，20050301)中提出了一种利用单目摄像机对目标进行位置及姿态测量的方法。虽然结构简单，并且能够实现物体位置和姿态的测量，但是其测量精度较低，其最终位置误差为2％，姿态误差为±2°左右，应用范围有限，难以应用在航空探测等高精度场合。

论文“三维姿态角高精度测量装置”(光学精密工程：doi:10.3788/OPE.20162405.0963)提出了一种基于激光准直仪的三维测角装置。该装置具有高精度、高稳定性，结构简单可靠。但是该方法仅适用于转动，无法测量物体的平动信息。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置，包括：电机、导轨、丝杠、两个Y横梁、X横梁、四个Z横梁、支架、摄像机、气浮平台、气浮轴承、大理石平台、四个基座和标志点，所述四个Z横梁竖直设置，每个Z横梁的上端设有一个电机，每个Z横梁的下端与一个基座固定连接，每个Z横梁上设有一个导轨和一个丝杠，丝杠的一端与电机的输出端相连接，丝杠与导轨相啮合，导轨与Z横梁固定连接；两个Y横梁相互平行设置在两两相对的Z横梁上的导轨上且与导轨滑动连接；

每个Y横梁上设有一个电机、一个导轨和一个丝杠，丝杠的一端与电机的输出端相连接，丝杠与导轨相啮合，导轨与Y横梁固定连接；X横梁的一端与一侧的Y横梁的导轨滑动连接，X横梁的另一端与另一侧的Y横梁的导轨滑动连接；

X横梁上设有一个电机、一个导轨和一个丝杠，丝杠的一端与电机的输出端相连接，丝杠与导轨相啮合，导轨与X横梁固定连接；

支架与X横梁上的导轨滑动连接，摄像机固定在支架的下端，大理石平台设置在四个基座围成的空间内的下部，大理石平台的上端设有气浮轴承，气浮轴承的上端设有气浮平台，标志点固定在气浮平台的上端，摄像机与标志点上下对应。

一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量方法如下：

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：

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：

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：

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。

本发明提出一种基于图像处理的深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置及方法。视觉测量系统通过摄像机采集测量光标图像，利用二维信息逆向推导光标相对于摄像机的三维姿态信息，以实现运动模拟器轨道和姿态测量功能。摄像机安装在具有三个平动自由度的由Y横梁、X横梁和Z横梁构成的天车上，可以跟随物体做水平两自由度平动，解决了物体平动信息的测量问题。同时，由于摄像机具有竖直方向的平动自由度，因此可最大限度缩短摄像机与标志点的距离，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置的整体结构示意图。

图2为气浮平台和标志点的结构示意图。

图3为摄像机三维成像模型图。

图4为摄像机位置示意图。

图中的附图标记，1为电机，2为导轨，3为丝杠，4为Y横梁，5为X横梁，6为Z横梁，7为支架，8为摄像机，9为气浮平台，10为气浮轴承，11为大理石平台，12为基座，13为标志点。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1和图2所示，本实施例所涉及的一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量装置，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。

支架7经丝杠带动，可以沿X横梁左右滑动。X横梁垂直于两个Y横梁，其两端分别由Y横梁上的电机通过丝杠控制，实现沿Y横梁的运动。两个Y横梁的四个端点由丝杠与位于Z横梁的四个电机分别相连，实现沿Z横梁的运动。标志点位于气浮平台上。气浮平台经气浮轴承与大理石平台相连，在水平面内实现三自由度运动，包括X，Y方向平动和绕Z轴转动。

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。

如图3和图4所示，本实施例所涉及的一种深空探测行星着陆模拟器位姿测量方法，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，求质心等处理，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，可以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。摄像机的三维成像模型如图3所示。

图中，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，由摄像机内参数可计算得到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：

可以证明，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：

满足上述解的形式时，摄像机相对于标志物的位置如图4所示。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。

可以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：

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，并且保证摄像机可以调整与标志点的高度差，提高了测量的精度。通过由摄像机坐标系到世界坐标系的坐标变换可以得到三个标志点在世界坐标系中的坐标变化情况，并由此可以解算出气浮平台的转动角度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。