基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法与流程

文档序号:21355357发布日期:2020-07-04 04:25阅读:来源:国知局

技术特征:

1.基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤a、建立导航及投影坐标系;

选取着陆点坐标系作为世界坐标系os-xsyszs,用于描述导航相机和其载体在空间中的具体位置;并假设探测器本体坐标系与导航相机坐标系oc-xcyczc重合,从着陆点坐标系转换到导航相机坐标系的变换关系记为其中为旋转矩阵,t为平移向量,导航相机成像模型采用理想针孔模型;

导航相机获取图像后,图像点在图像坐标系中的齐次坐标记为:u=[uv1]t;物体点在着陆点坐标系中的齐次坐标为:xs=[xyz1]t,物体点在导航相机坐标系中的齐次坐标为xc=[xcyczc1]t;图像坐标系中图像点在世界坐标系下的坐标为:矩阵k3×3为已知的导航相机的内参数矩阵;

步骤b、基于导航图像提取的探测器太阳帆板投影信息求取探测器滚动角和俯仰角变化角度;

步骤c、基于步骤b得到的角度变化信息对前一时刻导航图像进行模板校正,得到校正后的模板图像;

步骤d、利用模板匹配得到校正后的模板图像与待匹配图像之间的旋转角度及位置变化,得到探测器的实时位姿信息。

2.根据权利要求1所述的基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法,其特征在于:所述步骤b中,在解算探测器在不同时刻的滚动角和俯仰角信息时,具体采用以下方式:

(1)假设小天体探测器太阳帆板边缘形状为矩形,其中平行于导航相机ocxc轴的边长为n米,平行于导航相机ocyc轴的边长为m米;设探测器理想姿态σ0为滚动角γ=0,俯仰角即导航相机xcocyc面和着陆点坐标系xsosys面平行,此时探测器太阳帆板于星球表面投影形状、大小已知,|lm0|=m、|ln0|=n;

(2)将ti时刻探测器的姿态记为σi,获取导航图像中探测器太阳帆板长边投影长度|lni|及两边缘夹角角度θi,将|lni|及θi代入约束方程:中,解算出ti时刻探测器姿态相对于理想姿态σ0的滚动角γ0,i和俯仰角hi为探测器距星表高度高度,f为导航相机焦距;

(3)同理,解算出ti+1时刻的γ0,i+1和代入式中,即可得到探测器滚动角和俯仰角从ti时刻到ti+1时刻角度变化。

3.根据权利要求2所述的基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法,其特征在于:所述步骤c中,在进行图像校正时,具体采用以下方式:

(1)引入图像校正坐标系对ti时刻导航图像进行旋转校正,图像校正坐标系与原始图像坐标系之间的转换关系如下:其中,r′为坐标转换旋转矩阵;

(2)将上述转换关系代入由步骤b解算的γi,i+1,同时令ψi,i+1=0,可得:

若ti时刻导航图像上某一点的坐标为(x0,y0),则在校正后的图像其对应该点的坐标为:(x1,y1),进而得到校正后图像上各点的坐标,得到模板图像。

4.根据权利要求3所述的基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法,其特征在于:所述步骤c中,若计算得到的转换参数是非整数,则利用坐标转换公式对ti时刻图像进行转换时,进行插值操作:

f(x,y)表示校正后图像(x,y)处的像素值,q11(x1,y1)、q12(x1,y2)、q21(x2,y1)、q22(x2,y2)为点f(x,y)相邻已知四点像素值,则:

完成对ti时刻导航图像的校正。

5.根据权利要求4所述的基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法,其特征在于:所述步骤d中,利用模板匹配解算探测器偏航角和位移信息时,具体采用以下方式:

(1)ti时刻校正后的导航图像f1(x,y)与ti+1时刻获取的导航图像f2(x,y)之间存在平移、旋转和缩放关系,即:

f2(x,y)=f1[a(xcosψ+ysinψ)-δx,a(-xsinψ+ycosψ)-δy]

对其进行傅里叶变换、频域幅度谱提取后,通过对-极数坐标变换,得到二者的互功率谱函数:然后进行傅里叶反变换可得到一个冲激响应函数δ(w-μ,α-ψ),通过寻找其峰值的坐标即可求得在极坐标系下的平移量(μ,ψ),进而得到旋转角ψ和缩放量a,δz=(a-1)hi;

(2)对f2(x,y)进行旋转和缩放校正后,与f1(x,y)之间只存在平移关系,则再通过互功率谱的计算,得到平移量(δx,δy),重复步骤b至步骤d,解算出小天体探测器的实时位姿参数。


技术总结
本发明公开一种基于太阳帆板投影与模板匹配的小天体探测器位姿估计方法,以解决小天体探测器在下降着陆段位姿估计的问题。首先建立导航及投影坐标系,然后基于导航图像提取的太阳帆板投影信息求取探测器滚动角和俯仰角变化角度,根据所求得的角度信息对前一时刻导航图像进行模板校正,最后利用模板匹配求解校正后的模板图像与待匹配图像之间的旋转角度及位置变化,得到探测器的实时位姿信息。本方案充分利用了导航相机在小天体表面所拍摄到的探测器太阳帆板投影信息,避免了着陆末端星表特征数目不足以进行导航定位,以及传统导航陆标提取与匹配困难、时间长的问题,提高了导航算法的实时性,保证探测器位姿的精确估计。

技术研发人员:邵巍;王博宁;姚文龙;秦浩华;郗洪良;王光泽
受保护的技术使用者:青岛科技大学
技术研发日:2020.03.13
技术公布日:2020.07.03
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