CN103267517A - 一种基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法，所述的电视摄像机包括窄视场电视摄像机和宽视场电视摄像机；(1)设计靶标几何尺寸；(2)根据对接走廊、对接初始条件、安装条件以及靶标几何尺寸，设计窄视场电视摄像机的视场；(3)根据对接走廊、对接初始条件、安装条件以及目标飞行器几何尺寸，设计宽视场电视摄像机的视场；(4)根据测量精度要求和关键点判读要求设计靶标背景圆盘上的刻线：在对接时刻，从窄视场电视摄像机中看，靶标十字架的宽度与背景圆盘上的十字刻线同宽，且准确对接时，靶标十字架和背景圆盘上的十字刻线刚好相接；(5)航天员利用设计好的宽视场电视摄像机、窄视场电视摄像机和靶标，进行人控交会对接的测量。

Description

一种基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法

技术领域

本发明涉及航天员进行手动交会对接时用的一种基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法，特别是针对合作目标的人控交会对接电视摄像机和靶标的关键参数设计方法。

背景技术

空间交会对接是指两个航天器在轨道上按预定的位置、速度和时间会合(交会)，然后经姿态对准、靠拢直至在结构上连接成一体(对接)的全部飞行动作过程。进行空间交会对接的两个航天器，通常一个被称作目标飞行器(简称目标器)，另一个被称作追踪飞行器(简称追踪器)。交会对接过程一般分四个阶段：远距离导引段、寻的段、接近段、靠拢和对接段。交会对接的控制包括自动控制和人工控制。为保证交会对接的可靠性，在靠拢段，一般采用自动控制为主，人工控制为辅的设计方法。

美国的航天飞机在靠拢段采用人控方式进入最后悬停点，然后利用机械臂实现与国际空间站的对接。在人控靠拢过程中，使用的测量敏感器主要包括轨迹控制敏感器(TCS)、激光测距仪等，需要四名航天员配合才能完成靠拢操作。航天飞机退役后，美国正在研究自动控制能力更强的人控交会对接系统。前苏联/俄罗斯的人控交会对接主要采用电视摄像机和靶标作为测量敏感器。电视摄像机安装在追踪器上，与其配套使用的靶标安装在目标器上。电视摄像机提供从追踪器上观察目标器和靶标的图像，并传送到安装在追踪器上的综合电子显示屏幕上。航天员通过观察综合电子显示屏幕上显示的目标器和/或靶标的图像，估计目标器与追踪器之间的相对运动状态。由于电视摄像机和靶标的关键参数直接影响人控交会对接测量系统的性能，所以为保证人控交会对接测量的高精度和安全性，如何合理设计电视摄像机的视场大小和靶标的几何尺寸等关键参数，就成为人控交会对接的一个关键技术难题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种人控交会对接电视摄像机和靶标关键参数的设计方法，解决人控交会对接测量敏感器高精度、高安全性和易于判读的设计问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法，所述的电视摄像机包括窄视场电视摄像机和宽视场电视摄像机；步骤如下：

(1)设计靶标几何尺寸：所述的靶标采用十字靶标，靶标背景圆盘直径D设计为目标器外轮廓最大直径的1/8～1/12，靶标十字架与背景圆盘的纵向距离H设计为靶标背景圆盘直径D的1～2倍，靶标十字架长度L设计为0.45D，宽度设计为0.05D；

(2)根据对接走廊、对接初始条件、安装条件以及步骤(1)设计的靶标几何尺寸，设计窄视场电视摄像机的视场；所述的安装条件为窄视场电视摄像机与靶标正对安装；

(3)根据对接走廊、对接初始条件、安装条件以及目标飞行器几何尺寸，设计宽视场电视摄像机的视场；所述的安装条件宽视场电视摄像机尽可能靠近窄视场电视摄像机；

(4)根据测量精度要求和关键点判读要求设计靶标背景圆盘上的刻线：在对接时刻，从窄视场电视摄像机中看，靶标十字架的宽度与背景圆盘上的十字刻线同宽，且准确对接时，靶标十字架和背景圆盘上的十字刻线刚好相接；

(5)航天员利用设计好的宽视场电视摄像机、窄视场电视摄像机和靶标，进行人控交会对接的测量。

所述步骤(2)的实现步骤如下：

(2.1)根据对接初始条件、靶标相对于目标器对接机构的三轴姿态安装偏差以及窄视场电视摄像机相对于追踪器对接机构的三轴姿态安装偏差，计算靶标坐标系与窄视场电视摄像机坐标系之间的相对姿态矩阵；

(2.2)当追踪器相对于目标器纵向相对距离为R，横向距离在对接走廊的边缘上时；利用步骤(2.1)计算的相对姿态矩阵，计算靶标上的任意一点相对于窄视场电视摄像机的位置坐标；

(2.3)对靶标上的边界点、距离R在敏感器工作范围内进行遍历，根据步骤(2.2)计算的位置坐标和电视摄像机的主光轴之间的夹角确定最大视场Θ_narrow；则窄视场电视摄像机的视场选取为在[0.5-0.8]Θ_narrow范围内，使对接接触时刻，靶标背景圆盘图像直径占窄视场电视摄像机水平视场宽度的一半。

所述步骤(3)的实现步骤如下：

(3.1)根据对接初始条件、靶标相对于目标器对接机构的三轴姿态安装偏差以及宽视场电视摄像机相对于追踪器对接机构的三轴姿态安装偏差，计算靶标坐标系与宽视场电视摄像机坐标系之间的相对姿态矩阵；

(3.2)当追踪器相对于目标器纵向相对距离为R，横向距离在对接走廊的边缘上时；利用步骤(3.1)计算的相对姿态矩阵，计算靶标上的任意一点相对于宽视场电视摄像机的位置坐标；

(3.3)对靶标上的边界点、距离R在敏感器工作范围内进行遍历，根据步骤(3.2)计算的位置坐标和电视摄像机的主光轴之间的夹角确定最大视场Θ_wide；则宽视场电视摄像机的视场为

为安全裕度。

所述的安全裕度取3°～5°

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)人工控制交会对接的测量与自动控制交会对接的测量有很大不同。自动控制交会对接的测量敏感器主要有CCD光学成像敏感器、激光雷达、微波雷达、卫星导航设备等，根据这些敏感器的测量输出，控制计算机通过坐标转换可以得到追踪器相对于目标器的相对位置和相对姿态等信息，之后根据这些信息控制计算机再进行控制量的解算。人工控制交会对接的测量敏感器需要根据航天员进行手动操作的特点进行设计，对航天员的空间观察判读能力和操作能力认识的不同，导致设计的测量敏感器也不同，美国人控对接和俄罗斯人控对接所用的测量敏感器就有很大不同。在设计我国人控交会对接测量系统时，我们花了几年的时间研究人控交会对接测量和操作的特点，并建立了一个包括人控手柄和相对运动图像模拟装置的实验系统，对人控交会对接测量的相关问题进行了深入的理论分析和仿真实验研究，其中包括应该选择哪些量作为测量变量、如何使用这些测量变量、影响测量精度的因素有哪些、如何给航天员提供人脑擅长理解且能直观反映的相对运动信息、如何对关键点(例如：相对距离100m、30m对接时刻)状态正常与否进行直观判断、控制异常情况下是否有测量信息提供给航天员的测量安全性问题等。在此基础上我们确定了基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法，并找到了影响该测量方法性能的关键因素，最后定量地反映在电视摄像机和靶标关键设计参数中。

(2)本发明定量地给出了电视摄像机和靶标关键设计参数和交会对接控制指标要求、安装位置之间的关系，使得人控交会对接测量的高精度和安全性得到保证。

(3)电视摄像机和靶标关键参数设计考虑了航天员在进行手动交会对接时相对位置和相对姿态信息判读的直观性和准确性问题，以及关键点状态判断的有效性和快速性问题，满足人机功效性要求，仅需一名航天员即可进行手动交会对接操作。

附图说明

图1是本发明基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法的设计流程图；

图2为本发明靶标侧视图和正视图；

图3为本发明叠加在宽、窄视场电视摄像机图像上的刻线示意图。

具体实施方式

为了更清楚地了解本发明，下面首先给出本发明要用到的坐标系定义。

目标器对接坐标系o_d1x_d1y_d1z_d1，记为{d₁}，其原点o_d1取在目标器对接机构对接框端面的中心，o_d1x_d1轴与目标器对称纵轴重合，指向目标器内部，o_d1y_d1轴沿航天器的横向，垂直于纵轴，沿o_d1x_d1轴方向看，指向右，o_d1z_d1轴与o_d1x_d1、o_d1y_d1轴构成右手系。

追踪器对接坐标系o_d2x_d2y_d2z_d2，记为{d₂}，其原点o_d2取在追踪器对接机构捕获环导向瓣根圆圆心，o_d2x_d2轴与追踪器对称纵轴重合，指向外，o_d2y_d2轴沿航天器的横向，垂直于纵轴，沿o_d2x_d2轴方向看，指向右，o_d2z_d2轴与o_d2x_d2、o_d2y_d2轴构成右手系。

靶标坐标系o_tx_ty_tz_t，记为{o_t}，其原点o_t为靶标的背景圆盘中心，o_tx_t轴与背景圆盘的盘面垂直，指向十字架伸出的反方向，o_ty_t轴在背景圆盘的盘面上，与十字架“一横”的中线平行，沿o_tx_t轴方向看，指向右，o_tz_t轴与o_tx_t、o_ty_t轴构成右手系。

电视摄像机坐标系o_TVx_TVy_TVz_TV，记为{o_TV}，其原点o_TV为电视摄像机光心，o_TVx_TV轴为电视摄像机的主光轴，指向外，o_TVy_TV轴与o_TVx_TV轴垂直，沿o_TVx_TV轴方向看，指向右，o_TVz_TV轴与o_TVx_TV、o_TVy_TV轴构成右手系。注：当下面表述中电视摄像机为窄视场电视摄像机时，{o_TV}代表窄视场电视摄像机坐标系，反之为宽视场电视摄像机坐标系。这两个坐标系的坐标原点不同，对应的坐标轴相互平行。

如图1所示，本发明的实现步骤如下：

1、靶标几何尺寸设计。靶标背景圆盘直径D设计为目标器外轮廓最大直径的8分之一到12分之一，靶标十字架与背景圆盘的纵向距离H设计为靶标背景圆盘直径D的1.5倍左右，靶标十字架长度L设计为0.45D，宽度设计为0.05D。

2、根据对接走廊、对接初始条件、靶标几何尺寸、安装条件、测量精度要求设计窄视场电视摄像机的视场。

2.1确定设计条件

对接走廊是以对接轴为对称轴，半张角为γ_AC＝8°的圆锥，圆锥的顶点由对接初始条件中的横向位置偏差确定。

对接初始条件：横向位移

相对滚动角|Δφ|≤φ，相对俯仰角|Δθ|≤θ，相对偏航角满足|Δψ|≤ψ。

设靶标相对于目标器对接机构的三轴姿态安装偏差分别为

θ_TA、ψ_TA；窄视场电视摄像机相对于追踪器对接机构的三轴姿态安装偏差分别为φ_CA、θ_CA、ψ_CA。

设窄视场电视摄像机在追踪器对接坐标系下的安装位置为： ${\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{TVnarrow}}\\ y_{\mathrm{TVnarrow}}\\ z_{\mathrm{TVnarrow}}\end{array}\right]}_{\left\{d_2\right\}},$ 安装矩阵为单位阵。靶标在目标器对接坐标系下的安装位置为： ${\left[\begin{array}{c}{x}_{t\arg \mathrm{et}}\\ y_{t\arg \mathrm{et}}\\ z_{t\arg \mathrm{et}}\end{array}\right]}_{\left\{d_1\right\}},$ 安装矩阵为单位阵。

要求窄视场电视摄像机与靶标正对安装，则y_TVnarrow＝y_target，z_TVnarrow＝z_target。

2.2计算相对姿态

根据对接初始条件要求，C_{d2}{d1}＝C_y(θ)C_x(φ)C_z(ψ)

2.3计算相对位置

当追踪器相对于目标器纵向相对距离为R，横向距离在对接走廊边缘上

时，靶标上的任意一点 ${\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right]}_{\left\{O_t\right\}}$ 相对于窄视场电视摄像机的位置坐标：

2.4确定视场大小

对靶标上的边界点、纵向距离R在敏感器工作范围内进行遍历，根据 ${\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\end{array}\right]}_{\mathrm{Body}\left\{O_t\right\}/\left\{O_{\mathrm{TV}}\right\}}$ 和主光轴 ${\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right]}_{\left\{O_{\mathrm{TV}}\right\}}$ 的夹角确定最大视场。设该最大视场角为Θ_narrow，再考虑使测量精度尽量高的要求，可取窄视场电视摄像机的视场在[0.5-0.8]Θ_narrow的前提下，使对接接触时刻，靶标背景圆盘图像直径约占窄视场电视摄像机水平视场宽度的一半。

3、根据对接走廊、对接初始条件、目标飞行器几何尺寸、靶标几何尺寸、安装条件、安全性要求设计宽视场电视摄像机的视场。

3.1确定设计条件

对接走廊是以对接轴为对称轴，半张角为γ_AC＝8°的圆锥，圆锥的顶点由对接初始条件中的横向位置偏差确定。

对接初始条件：横向位移

相对滚动角|Δφ|≤φ，相对俯仰角|Δθ|≤θ，相对偏航角满足|Δψ|≤ψ。

设靶标相对于目标器对接机构的三轴姿态安装偏差分别为θ_TA、ψ_TA；宽视场电视摄像机相对于追踪器对接机构的三轴姿态安装偏差分别为φ_CA、θ_CA、ψ_CA。

设宽视场电视摄像机在追踪器对接坐标系下的安装位置为： ${\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{TVwide}}\\ y_{\mathrm{TVwide}}\\ z_{\mathrm{TVwide}}\end{array}\right]}_{\left\{d_2\right\}},$ 安装矩阵为单位阵。靶标在目标器对接坐标系下的安装位置为： ${\left[\begin{array}{c}{x}_{t\arg \mathrm{et}}\\ y_{t\arg \mathrm{et}}\\ z_{t\arg \mathrm{et}}\end{array}\right]}_{\left\{d_1\right\}},$ 安装矩阵为单位阵。

宽视场电视摄像机的安装要求尽可能靠近窄视场电视摄像机。

3.2计算相对姿态

3.3计算相对位置

当追踪器相对于目标器纵向相对距离为R，横向距离在对接走廊边缘上时，靶标上的任意一点 ${\left[\begin{array}{c}{x}_i\\ y_i\\ z_i\end{array}\right]}_{\left\{O_t\right\}}$ 相对于宽视场电视摄像机的位置：

3.4确定视场大小

对靶标上的边界点、纵向距离R在敏感器工作范围内进行遍历，根据 ${\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δx}\\ \mathrm{\Δy}\\ \mathrm{\Δz}\end{array}\right]}_{\mathrm{Body}\left\{O_t\right\}/\left\{O_{\mathrm{TV}}\right\}}$ 和主光轴 ${\left[\begin{array}{c}1\\ 0\\ 0\end{array}\right]}_{\left\{O_{\mathrm{TV}}\right\}}$ 的夹角确定最大视场。设该最大视场角为Θ_wide，考虑安全裕度

，可取宽视场像机的视场为安全裕度

取3°～5°。

4、根据测量精度要求和关键点判读要求设计靶标背景圆盘上的刻线。靶标背景圆盘上的刻线设计如图2所示，背景圆盘为黑色，刻线为白色。刻线的设计保证在对接时刻，从窄视场电视摄像机中看，靶标十字架的宽度与背景圆盘上的十字刻线同宽，且准确对接时，靶标十字架和背景圆盘上的十字刻线刚好相接。

5、设计宽视场电视摄像机、窄视场电视摄像机图像上叠加的刻线。根据宽、窄像机视场的大小，考虑到图像的清晰程度，可以设计图3所示的宽、窄视场电视摄像机图像上叠加的刻线。该刻度线的设计从直观性考虑，尽量保证在关键点(比如100m、30m对接接触点)，图像中的目标器或者靶标背景圆盘的外轮廓线正好落在整刻度线上。设计这种刻线可以保证宇航员在关键点，迅速判断此时追踪器的控制是否正常。

6、航天员利用设计好的宽视场电视摄像机、窄视场电视摄像机和靶标，就可以进行人控交会对接的测量，满足正常情况下实现高精度测量、控制异常情况下进行安全判断的要求。

本方法具有测量精度高、安全性好、易于航天员进行相对位置和姿态判读以及关键点状态判断等优点，已在神舟九号和天宫一号的人控交会对接中成功应用。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法，所述的电视摄像机包括窄视场电视摄像机和宽视场电视摄像机；其特征在于步骤如下：

(1)设计靶标几何尺寸：所述的靶标采用十字靶标，靶标背景圆盘直径D设计为目标器外轮廓最大直径的1/8～1/12，靶标十字架与背景圆盘的纵向距离H设计为靶标背景圆盘直径D的1～2倍，靶标十字架长度L设计为0.45D，宽度设计为0.05D；

(2)根据对接走廊、对接初始条件、安装条件以及步骤(1)设计的靶标几何尺寸，设计窄视场电视摄像机的视场；所述的安装条件为窄视场电视摄像机与靶标正对安装；

(3)根据对接走廊、对接初始条件、安装条件以及目标飞行器几何尺寸，设计宽视场电视摄像机的视场；所述的安装条件宽视场电视摄像机尽可能靠近窄视场电视摄像机；

(4)根据测量精度要求和关键点判读要求设计靶标背景圆盘上的刻线：在对接时刻，从窄视场电视摄像机中看，靶标十字架的宽度与背景圆盘上的十字刻线同宽，且准确对接时，靶标十字架和背景圆盘上的十字刻线刚好相接；

(5)航天员利用设计好的宽视场电视摄像机、窄视场电视摄像机和靶标，进行人控交会对接的测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法，其特征在于：所述步骤(2)的实现步骤如下：

(2.1)根据对接初始条件、靶标相对于目标器对接机构的三轴姿态安装偏差以及窄视场电视摄像机相对于追踪器对接机构的三轴姿态安装偏差，计算靶标坐标系与窄视场电视摄像机坐标系之间的相对姿态矩阵；

(2.2)当追踪器相对于目标器纵向相对距离为R，横向距离在对接走廊的边缘上时；利用步骤(2.1)计算的相对姿态矩阵，计算靶标上的任意一点相对于窄视场电视摄像机的位置坐标；

(2.3)对靶标上的边界点、距离R在敏感器工作范围内进行遍历，根据步骤(2.2)计算的位置坐标和电视摄像机的主光轴之间的夹角确定最大视场Θ_narrow；则窄视场电视摄像机的视场选取为在[0.5-0.8]Θ_narrow范围内，使对接接触时刻，靶标背景圆盘图像直径占窄视场电视摄像机水平视场宽度的一半。

3.根据权利要求1所述的一种基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法，其特征在于：所述步骤(3)的实现步骤如下：

(3.1)根据对接初始条件、靶标相对于目标器对接机构的三轴姿态安装偏差以及宽视场电视摄像机相对于追踪器对接机构的三轴姿态安装偏差，计算靶标坐标系与宽视场电视摄像机坐标系之间的相对姿态矩阵；

(3.2)当追踪器相对于目标器纵向相对距离为R，横向距离在对接走廊的边缘上时；利用步骤(3.1)计算的相对姿态矩阵，计算靶标上的任意一点相对于宽视场电视摄像机的位置坐标；

(3.3)对靶标上的边界点、距离R在敏感器工作范围内进行遍历，根据步骤(3.2)计算的位置坐标和电视摄像机的主光轴之间的夹角确定最大视场Θ_wide；则宽视场电视摄像机的视场为Θ_wide+θ，θ为安全裕度。

4.根据权利要求3所述的一种基于电视摄像机和靶标的人控交会对接测量方法，其特征在于：所述的安全裕度θ取3°～5°。

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