行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置与方法与流程

本发明涉及一种行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置与方法，属于飞行器地面仿真领域。

背景技术：

随着卫星技术的迅速发展，为了确保航天器在轨道上有效运行，航天器需要地面全物理仿真试验。因此，地面模拟试验系统的建设是空间技术发展的重要保证。数学仿真只能模拟深空环境对行星捕获制动及环绕器和着陆器分离的影响，而不能有效地模拟安装误差、测量单机、大推力控制等因素带来的影响，因此有必要通过地面全物理仿真试验来分析轨道控制策略及算法的可行性，提高工程实施的可靠性。

发明专利(cn201710429438.5)“目标跟踪方法、装置、计算机设备和存储介质”中涉及一种目标跟踪方法,所述方法包括：在设备静止状态下进行目标检测；当检测到监控画面中出现目标时,对所述目标进行定位；根据所述目标产生的运动轨迹预测目标的运动方向；当检测到所述目标有离开摄像头视野趋势时,根据所述目标的运动方向控制设备转动；在设备转动状态下采用动态背景建模方式对目标进行跟踪。降低了运算量从而能够节省硬件成本,实现了在监控设备转动下对目标的持续跟踪；发明专利“目标跟踪方法、装置、计算机设备和存储介质”中提到对于目标的检测都是在静止的情况下，没有考虑发生运动的复杂情况。

专利“一种运动物体检测的方法和装置”申请号为(cn200810093918.x)中公开了一种运动物体检测的方法和装置。该方法包括以下步骤：获取非参数混合前景模型和非参数背景模型；获取当前帧上各点的非参数混合前景模型概率和非参数背景模型概率；对所述非参数混合前景模型概率和所述非参数背景模型概率进行似然比修正,得到似然比修正后的非参数混合前景模型概率和似然比修正后的非参数背景模型概率；根据当前帧上各点的似然比修正后的非参数混合前景模型概率和似然比修正后的非参数背景模型概率进行图分割并输出运动物体的检测结果。通过使用本发明的实施例,通过建立非参数混合前景模型,并使用似然比修正方法,实现了对运动物体的检测,并且提高了图像识别的正确率；专利“一种运动物体检测的方法和装置”虽然实现了对运动物体的检测，但是行星探测捕获制动与器器分离，还需要对运动的航天器进行实时跟踪，以确保模拟行星引力大小与方向的正确性。

本发明旨在建立一套在地面模拟行星探测捕获制动与器器分离实验中，在运动情况下对目标的检测，控制二维运动机构对航天器的实时跟踪装置。

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，进而提供一种行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置与方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置，所述行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置包括跟踪系统和运动模拟器，跟踪系统包括地面控制系统、二维运动系统、转动电机和视觉测量系统，地面控制系统通过电缆与二维运动系统、转动电机和视觉测量系统相连接，二维运动系统、转动电机以及视觉测量系统设在大理石平台上，二维运动系统上设置有转动电机，转动电机与视觉测量系统连接；

运动模拟器由刚性仪表平台、器载设备及相应的气浮系统组成，器载设备包括姿态测量子系统、控制器、等效执行机构和视觉靶标；姿态测量子系统、控制器、等效执行机构设置在刚性仪表平台上，视觉靶标设置在刚性仪表平台的侧面；气浮系统位于刚性仪表平台下部，气浮系统有四个气嘴；

跟踪系统与运动模拟器的连接关系为：首先把运动模拟器的视觉靶标放在跟踪系统的视觉测量系统的下方，跟踪系统运行实时算法，跟踪系统控制二维运动系统与转动电机进行控制，始终保证视觉靶标在视觉测量系统的视野中。

本发明行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置，所述视觉靶标是一个金属板，上面放有两个发光的灯。

本发明行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置，所述刚性仪表平台需要满足敏感器的视场角度要求、各种仪器的安装精度要求、设备的力学环境要求、电路设计以及总装总则的要求进行构型和布局来满足仿真测试系统的约束条件。

本发明行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置，所述姿态测量子系统采用陀螺和加表组合；控制器采用gnc单元和仿真计算机；等效执行结构采用冷气推力器。

行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪方法，所述行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪方法的具体步骤为：

步骤一：将运动模拟器放在视觉测量系统下，给定运动模拟器一定的初速度后开始跟踪；

步骤二：视觉测量系统将相机数据通过电缆发回到地面控制系统；

步骤三：地面控制系统上的工控机对数据进行处理，利用跟踪算法输出控制量；

步骤四：根据控制量对二维运动系统和转动电机进行运动控制。

本发明行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪方法，其特征在于，所述步骤三具体为：

跟踪算法采用卡尔曼滤波和改进pid相结合的方法，通过视觉测量系统将反馈的数据通过电缆回传到地面控制系统，地面控制系统运行控制算法，完成解算，控制二维运动系统进行跟踪；

卡尔曼滤波主要由以下几个公式：

首先利用系统的过程模型来预测系统下一状态，设在k时刻的系统状态为x(k)，则可以根据系统模型，由上一状态预测出现在状态：

x(k|k-1)＝ax(k-1|k-1)+bu(k)

系统的状态已经更新，现在需要更新系统的误差估计协方差矩阵：

p(k|k-1)＝a*p(k-1|k-1)a'+q.

求解卡尔曼增益：

kg(k)＝p(k|k-1)*h'/(h*p(k|k-1)*h'+r)

根据得到的现在状态的测量值进行修正得到最优的估计量x(k|k)：

x(k|k)＝x(k|k-1)+kg(k)*(z(k)-hx(k|k-1))

需要更新x(k|k)对应的p(k|k)

p(k|k)＝(i-kg(k)*h)*p(k|k-1)

改进pid方法是在原来pid的基础上增加了一项当前二维运动机构的速度项，在此速度项的基础上进行调整，根据改进pid方法利用跟踪算法输出控制量为：

本发明一种行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置与方法，考虑了安装误差、测量单机、大推力控制等因素；本发明实现了动态跟踪目标，相机也是在随着目标在动；实现了根据相机反馈，卡尔曼滤波和改进pid相结合的方法动态跟踪航天器的运动。

附图说明

图1为本发明行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置的跟踪系统的结构图。

图2为本发明行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置的运动模拟器的结构图。

图3为本发明中跟踪算法的流程图。

图中附图标记有：1为地面控制系统；2为二维运动系统；3为电缆；4为转动电机；5为视觉测量系统；6为刚性仪表平台；7为姿态测量子系统；8为控制器；9为等效执行机构；10为视觉靶标；11为气浮系统。

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。

实施例一：如图1所示，本实施例所涉及的一种行星探测捕获制动与器器分离物理跟踪装置与方法，

跟踪系统由地面控制系统、二维运动系统、转动电机、视觉测量系统构成。其中地面控制系统通过电缆连接与其它各个系统相连接，二维运动系统，转动电机以及视觉测量系统都在大理石平台上。二维运动系统可以在二维平面运动控制视觉测量系统在二维平面的位置，转动电机控制视觉测量系统的转角，确保测量的靶标能够一直在视野中，不发生丢失视野的情况。

运动模拟器由刚性仪表平台、器载设备及相应的气浮系统组成。其中，器载设备具备基本的姿态和轨道控制系统的功能，包括姿态测量子系统(陀螺和加表组合)、控制器(gnc单元和仿真计算机)以及等效执行机构(冷气推力器)和视觉靶标；气浮系统位于刚性仪表平台下部，气浮系统有四个气嘴，产生喷气，使运动模拟器悬浮；其中，视觉靶标是一个金属板，上面放有两个发光的灯，方便相机定位。刚性仪表平台则需要满足敏感器的视场角度要求、各种仪器的安装精度要求、设备的力学环境要求、电路设计以及总装总则的要求进行构型和布局来满足仿真测试系统的约束条件。

跟踪系统与运动模拟器的连接关系为，首先把靶标放在跟踪系统的视觉测量系统的下方。这样跟踪系统会运行实时算法，控制二维运动系统与转动电机进行控制，始终保证靶标在相机的视野中。

实验步骤为：

1)将运动模拟器放在视觉测量系统下，给定运动模拟器一定的初速度后开始跟踪；

2)相机数据通过电缆发回到地面控制系统；

3)地面控制系统上的工控机对数据进行处理，卡尔曼滤波将数据进行滤波后，传入到改进pid运行，控制量输出；

4)根据控制量对二维运动系统和转动电机进行运动控制；

5)完成实验。

跟踪算法的具体过程为：跟踪算法采用卡尔曼滤波和改进pid相结合的方法。

通过视觉测量系统将反馈的数据通过电缆回传到地面控制系统，地面控制运行控制算法，完成解算，控制二维运动系统进行跟踪。

卡尔曼滤波主要由以下几个公式：

首先利用系统的过程模型来预测系统下一状态，设在k时刻的系统状态为x(k),则可以根据系统模型，由上一状态预测出现在状态：

x(k|k-1)＝ax(k-1|k-1)+bu(k)

系统的状态已经更新，现在需要更新系统的误差估计协方差矩阵

p(k|k-1)＝a*p(k-1|k-1)a'+q.

求解卡尔曼增益：

kg(k)＝p(k|k-1)*h'/(h*p(k|k-1)*h'+r)

根据得到的现在状态的测量值进行修正得到最优的估计量x(k|k)：

x(k|k)＝x(k|k-1)+kg(k)*(z(k)-hx(k|k-1))

需要更新x(k|k)对应的p(k|k)

p(k|k)＝(i-kg(k)*h)*p(k|k-1)

改进pid方法是在原来pid的基础上增加了一项当前二维运动机构的速度项，在此速度项的基础上进行调整，否则当偏差变得过大，pid输出过于大，会超出二维机构电机的加速能力，导致控制的发散，增加速度项后，可以很好的解决这个问题。

根据改进pid方法利用跟踪算法输出控制量为：

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。