[发明专利]一种基于图像特征的航天器单目视觉姿态估计方法

说明书

本发明公开了一种基于图像特征的航天器单目视觉姿态估计方法，利用目标航天器的星箭对接环结构与太阳能帆板结构联合定姿，星箭对接环提供圆特征，可利用圆的单个投影图像求解星箭对接环所在平面的法向量；太阳能帆板提供矩形特征，基于平行线消失点原理求解太阳能帆板的旋转轴方向向量；根据太阳能帆板旋转轴的方向向量与星箭对接环所在平面的法向量垂直的特性，唯一确定星箭对接环所在平面的法向量及中心坐标，由此得到目标航天器相对于跟跟踪航天器完整的相对位姿，并能够在考虑旋转翼的情况下实现对非合作目标航天器获取完整的相对姿态参数，上述方法计算简单，评估准确，具有良好的工程价值。

技术领域

本发明涉及自主在轨服务技术中非合作目标航天器的视觉测量技术领域，尤其涉及一种基于图像特征的航天器单目视觉姿态估计方法。

背景技术

自主在轨服务是指通过空间智能服务航天器来实现“延长卫星、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命和能力”的空间任务。研究自主在轨服务技术，有助于降低航天器运行成本，推动航天事业的可持续发展，具有巨大的社会经济效益以及良好的发展前景。

自主在轨服务已被列为我国科技创新2030重大项目。在轨服务的对象有相当一部分属于非合作航天器，如失效卫星、太空垃圾等，一般表现为如下特点：(1)未安装用于辅助测量的合作标识；(2)无法利用星间链路向外传输自身信息；(3)处于失控翻滚的运动状态。非合作航天器的位姿获取作为自主在轨服务的关键技术，是在轨服务技术的重点发展方向之一，其研究具有重要的理论价值与工程意义。

目前，非合作目标位姿测量敏感器主要分为单目相机、双目相机和激光雷达三类。与双目相机和激光雷达相比，单目相机视觉导航可确保在低功率和质量要求下快速确定姿势。基于单目相机的位姿测量技术，主要检测目标航天器表面所具备的某种特定的结构(如矩形、三角形或圆)，例如，星箭对接环、发动机喷嘴可以提供圆信息，航天器天线可以提供三角形信息，太阳能帆板、卫星本体可以提供矩形信息。然而，单目视觉用单圆定姿会有二义性，目前已有的解决方法有：在测量设备上安装激光测距仪，用激光测距仪的距离信息改进单目单圆定位方法，解决了两组解的判定问题，但是激光测距仪的安装增加了成本，提高了对负载的要求；或者，采用圆外一已知距离的点作为补充信息，通过引入欧式空间中距离不变性作为约束去除二值性，但圆外一已知距离的点约束性太强，不具有普适性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于图像特征的航天器单目视觉姿态估计方法，用以获取非合作目标航天器相对于跟踪航天器的位置与姿态信息，为后续相对运动规划和控制建立基础。

本发明提供的一种基于图像特征的航天器单目视觉姿态估计方法，包括如下步骤：

S1：建立描述航天器姿态的坐标系，包括像素坐标系、图像坐标系、摄像机坐标系、世界坐标系、星箭对接环所在平面坐标系以及太阳能帆板所在平面坐标系，并计算各坐标系之间的转换关系；

S2：对跟踪航天器上单目相机获得的图像进行中值滤波；

S3：利用快速椭圆检测方法，对中值滤波后的图像进行处理，确定星箭对接环所在椭圆的一般函数；

S4：利用几何法对星箭对接环所在椭圆的一般函数进行求解，获得摄像机坐标系下星箭对接环所在平面的法向量和中心坐标；

S5：对中值滤波后的图像进行霍夫变换，检测所述图像中的所有直线段，从检测出的直线段中找到太阳能帆板所在平面的四边形，计算消失点像素坐标，推导在摄像机坐标系下太阳能帆板旋转轴的方向向量；

S6：根据摄像机坐标系下太阳能帆板旋转轴方向向量和星箭对接环所在平面法向量垂直的特性，消除单圆定姿二义性，唯一确定星箭对接环所在平面的法向量和中心坐标；

S7：根据唯一确定的星箭对接环所在平面的中心坐标计算目标航天器相对于跟踪航天器的位移向量，根据唯一确定的星箭对接环所在平面的法向量和太阳能帆板旋转轴方向向量计算目标航天器相对于跟踪航天器的旋转矩阵。