一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统

本发明属于位姿测量系统，具体涉及一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统。

背景技术：

1、空间目标态势感知是空间任务的重要环节之一，其在卫星对接环抓取、空间垃圾清理回收及空间站对接等基本任务中起到了关键性作用，位姿测量是空间态势感知的核心任务之一，而受限于空间复杂条件，针对于空间目标的位姿测量手段发展较为缓慢，研究太空复杂条件下空间目标位姿测量方法对于发展航天技术具备重大意义。

2、空间复杂光照条件是基于视觉的位姿测量方法面临的重大难题之一，目前空间任务中主流位姿测量方法还是基于合作靶标进行开展，其基本原理是通过特征点提取等手段获取被测目标表面特征点的二位图像坐标，利用特征点图像坐标及三维空间坐标之间的映射关系，计算相机和目标的相对位置和姿态信息，但是随着太阳光照角度的改变，图像灰度值变化剧烈，该方法误检、漏检显著增加，在极端的太空光照条件下，其工作范围将大大受限，空间局部光照会导致靶标用于位姿测量的基本特征不明显或者彻底丧失，从而导致无法测量。此外，由于相机视角较偏，靶标的基本特征可能会被自身遮挡，这样也会导致测量失败。

3、针对空间靶标法所存在的对于复杂光照和偏僻视角鲁棒性较差的问题，本发明设计一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，用于解决目前基于合作靶标的空间目标位姿测量方法无法适应空间极端光照条件以及工作视角受限的问题，该系统能够在太空环境中对多个目标进行高精度、高鲁棒性的位姿测量，为太空任务提供有效的技术支持。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，包括：

4、模块化红外靶标，依附于多种需要进行位姿测量的目标上；

5、模块化信息处理单元，用于收集模块化红外靶标的靶标位姿信息，并进行位姿计算；

6、交互式软件平台，用于实现对模块化红外靶标和模块化信息处理单元的统一管理和控制，以及对测量结果的显示和修正。

7、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

8、1.本发明基于红外靶标建立了位姿测量系统，能够适应太空极端光照条件，并且工作视角较广，不存在靶标自身遮挡的问题。能够根据空间目标的运动状态和光照条件调节红外信号的强度和频率，从而保证靶标在不同视角下的可见性和可识别性。该系统的红外相机可以捕捉反射和折射的红外光，并将图像传输给位姿测量模块，位姿测量模块中进行图像处理和位姿计算。交互式软件平台可以实现对所有红外靶标模块和信息处理模块的统一管理和控制，以及对测量结果的显示和修正。

9、2.本发明所构建位姿测量算法定位误差小于1mm，角度误差小于0.5度，最佳位姿选择逻辑使位姿测量算法具备优良鲁棒性。本发明还引入了一种最佳位姿选择逻辑，该逻辑可以根据不同的测量场景和条件，从多个候选位姿中选择出最优的一个作为最终结果，有效降低了由于错误解导致的测量失效的风险，提高了系统位姿测量的稳定性。

10、3.本发明所搭建交互式软件平台可以统一监控所有红外靶标模块和信息处理模块，查看其工作状态，可以远程控制红外光源和相机，收集靶标位姿信息，实时显示相机图像，并且具备人工修正位姿功能，可以人工选择最佳位姿作为靶标位姿，使测量结果具备优良稳定性，平台还具备日志功能，方便查阅过往运行日志。该平台采用了友好的图形用户界面(gui)，可以实现对系统各个部分的可视化操作和监控。用户可以通过平台调节红外光源的亮度和频率，以及相机的曝光时间等参数，以适应不同的环境条件。用户还可以通过平台查看每个相机捕捉到的图像，并在图像上标注感兴趣区域，提高测量效率，平台还可以自动标注位姿测量结果，在图像上显示出靶标坐标系以及特征点等信息。

11、4.本发明所提出模块化位姿测量方法具备轻量化优点，小巧并且实用性高，可以胜任多目标位姿测量任务。本发明提出的模块化红外靶标位姿检测方法可以有效地解决传统单目合作目标位姿测量过程中特征点缺失、特征点噪声干扰、特征点遮挡等问题，提高了位姿求解的精度和稳定性。

技术特征：

1.一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，其特征在于：所述模块化红外靶标包括靶标盒(1)，以及均安装在靶标盒(1)内的主动式红外光源(2)、第一电源(3)、第一嵌入式模块(4)及反射镜阵列(5)；

3.根据权利要求2所述的一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，其特征在于：所述靶标面(6)上设计二维码，二维码的黑色部分覆盖红外不透明材料，二维码的白色部分透光。

4.根据权利要求1所述的一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，其特征在于：所述模块化信息处理单元包含安装在盒体内的红外相机(8)、第二嵌入式模块(9)、第二安装接口(11)以及第二电源(10)；

5.根据权利要求4所述的一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，其特征在于：所述第二嵌入式模块(9)的软件架构分为三层：应用层、中间层和硬件层；所述应用层负责位姿测量算法的实现，中间层负责红外相机(8)控制、数据压缩、无线通信，硬件层负责与红外相机(8)、第二电源(10)、无线模块的接口。

6.根据权利要求4所述的一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，其特征在于：所述位姿测量模块的位姿测量择优算法，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，其特征在于：所述s2中，能够对位姿信息进行人工干预，根据坐标系图像投影结构，人工判断选择。

8.根据权利要求6所述的一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，其特征在于：所述s1中的检测和识别由以下几个步骤完成：

9.根据权利要求8所述的一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，其特征在于：所述s2中，二维码位姿测量具体流程为，

10.根据权利要求1所述的一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，其特征在于：交互式软件平台用于远程控制系统运行，包括操作控制模块、信息显示模块、日志管理模块和远程通讯模块，操作控制模块用于控制模块化红外靶标中主动式红外光源(2)强度以及第一电源(3)开关，控制模块化信息处理单元中红外相机(8)、第二电源(10)开关，日志管理模块用于收集红外图像信息、位姿信息和报警信息，形成工作日志，远程通讯模块对整个系统进行监控。

技术总结
一种基于模块化红外靶标的位姿测量系统，属于位姿测量系统技术领域，用于解决目前基于合作靶标的空间目标位姿测量方法无法适应空间极端光照条件以及工作视角受限的问题，能够在太空环境中对多个目标进行高精度、高鲁棒性的位姿测量。包括：模块化红外靶标，依附于多种需要进行位姿测量的目标上；模块化信息处理单元，用于收集模块化红外靶标的靶标位姿信息，并进行位姿计算；交互式软件平台，用于实现对模块化红外靶标和模块化信息处理单元的统一管理和控制，对测量结果的显示和修正。本发明有效地解决传统单目合作目标位姿测量过程中特征点缺失、特征点噪声干扰、特征点遮挡等问题，提高了位姿求解的精度和稳定性。

技术研发人员：刘阳,谢光虎,姬一明,谢宗武,曹宝石,杨国财,李雪皑
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14