[发明专利]适用于微纳卫星自组装的相对位姿测量及靶标设计方法

说明书

本发明提供一种适用于微纳卫星自组装的相对位姿测量及靶标设计方法，其包括：获取相对位姿数据集；获得最优神经网络；调整视觉相机；获取所述合作靶标的图像，对其进行二值化处理；计算得到靶标圆的圆心坐标；按逆时针方向输出所述靶标圆的排布编码；根据靶标圆的排布编码确定对应子区域；将所述靶标圆的圆心坐标及所述对应子区域圆心坐标输入神经网络，计算得到相对位姿初始值；对所述相对位姿初始值进行迭代运算，计算得到相对位姿最终值。本发明能够解决当前靶标无法适应飞行器多面自组织对接的不足，且该相对位姿测量方法的计算简单，迁移性高，容易在硬件上实现，计算速度快，可实现高帧频输出。

技术领域

本发明属于航空航天技术领域中，具体涉及一种适用于微纳卫星自组装的相对位姿测量及靶标设计方法。

背景技术

现有技术中，使用多个微纳卫星在轨组装完成大卫星功能是当前航天器发展的热点之一。在空间中微纳卫星自组装时，需要获取卫星的相对位姿参数，受限于微纳卫星的尺寸体积，通常采用视觉相机加合作靶标的模式进行位姿测量。

当前相对位姿解算大多采用PNP算法进行求解，该算法计算过程复杂，不利于硬件移植；且该算法需提供位姿初值，位姿初值的获取通常采用卡尔曼滤波、迭代的非线性最小二乘法等，上述方法无法收敛到全局最小，会对测量精度造成影响。

目前合作靶标图案通常固定在某一位置，无法满足飞行器多面体宽适应组装的需求。故而合作靶标的方案设计存在以下难点：1、飞行器通常为多面体，应确保在任意位置视觉相机始终能拍摄到足够特征点的合作靶标图案；2、不同面的合作靶标图案应具备区分性；3、合作靶标图案应适应飞行器外形特征。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于微纳卫星自组装的相对位姿测量及靶标设计方法，其可适应飞行器多面体结构，以及解决现有技术位姿解算方法计算过程复杂的问题。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种适用于微纳卫星自组装的相对位姿测量及靶标设计方法，包括如下步骤：

（1）获取相对位姿数据集；

（2）利用所述相对位姿数据集在地面上完成神经网络的训练，获得位姿计算神经网络；

（3）调整视觉相机，使其与所述合作靶标的工作距离为0.1m～3m，使得所述合作靶标的图案的四个靶标圆始终在所述视觉相机的视场内；

（4）获取所述合作靶标的图像，对其进行二值化处理；

（5）通过图像处理系统对所述步骤（4）中的二值化的图像进行边缘检测，识别所述合作靶标的图案的四个靶标圆，计算得到所述靶标圆的圆心坐标；

（6）计算每个所述靶标圆轮廓内像素总数，即为该靶标圆的面积，将所述面积最大的圆编码为‘1’，并按面积从大到小的排布，将其他三个靶标圆分别编码为‘2’、‘3’、‘4’，将‘1’作为起始点，按逆时针方向输出所述靶标圆的排布编码；

（7）根据靶标圆的排布编码确定对应子区域；

（8）将所述靶标圆的圆心坐标及所述对应子区域圆心坐标输入位姿计算神经网络，计算得到相对位姿初始值；

（9）对所述相对位姿初始值进行迭代运算，计算得到相对位姿最终值。

进一步地，所述步骤（8）中，将所述靶标圆的圆心坐标及对应子区域圆心坐标输入所述步骤（2）中获得的位姿计算神经网络，计算得到相对位姿，作为相对位姿测量的初始值。

进一步地，所述步骤（9）中，将所述步骤（8）中获取的相对位姿初始值代入Haralick迭代算法，进一步求解相对位姿，经过反复迭代后获取高精度的相对位姿信息，作为相对位姿最终值。

有益效果：

本发明的适用于微纳卫星自组装的相对位姿测量及靶标设计方法，能够弥补当前靶标无法适应飞行器多面体结构的不足，且该相对位姿测量方法的计算简单，迁移性高，容易在硬件上实现，计算速度快，可实现高帧频输出。