CN103713525A - 采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统及方法，在地面上通过引入Kinect传感器，来模拟航天器间的捕捉、对准、对接的空间交会对接过程，给航天工程研制过程中相关交会算法提供验证平台，同时亦可用于交会对接过程的演示。该方法采用Kinect提供的图像信息及景深信息，来计算航天器间的相对位置及相对姿态，可以降低交会对接算法开发的资源消耗，而Kinect提供的开发接口可以提高交会对接方案研制的效率。

Description

采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统及方法

技术领域

本发明涉及航天器交会技术领域，特别是一种采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统及方法。

背景技术

随着航天科技的发展，航天任务变得越来越复杂，不论从空间站的对接到编队卫星的交会都会涉及到航天器的交会对接技术，而航天产品具有成本高、维护困难等特点，因此在地面上进行充分验证对于在轨任务的成功实施有很重要意义。

Kinect是美国微软公司用于Xbox360游戏机的一个体感传感器，同时它也可用于PC机上进行相关应用的开发，Kinect具备摄像头及红外距离传感器，可以方便且高效地提供机器视觉所需的传感数据。

为了验证航天器交会对接方案及算法，需要一个测试平台，而通常搭建这样一个平台，需要从传感器等硬件环境着手，比较费时且耗费资源，而Kinect正好提供了图像传感器及距离传感器，同时又有丰富的开发资源，可以大大简化测试平台的搭建，使验证实验的精力集中在交会对接算法上，提高研发效率。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统及方法，该方法使用的测试平台简单易建，同时又有丰富的开发资源，使验证实验的精力集中在交会对接算法上，提高研发效率。

本发明公开的一种采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统其特征在于：包括Kinect传感器、目标航天器模型、机动航天器模型以及计算机：目标航天器模型与Kinect传感器固连，Kinect传感器连接到计算机，机动航天器模型通过升缩连杆连接在小车上，小车与嵌入式计算机系统连接，嵌入式计算机系统也与计算机相连接；该系统还包括背景墙；

作为上述技术方案的进一步改进，所述嵌入式计算机系统与计算机通过WIFI无线网络相连接。

作为上述技术方案的再进一步改进，所述嵌入式计算机系统为单片机系统。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述升缩连杆为程控升缩连杆。

利用权利要求3所述的采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统进行的演示验证方法，包括以下步骤：

1)Kinect传感器初始化，建立背景环境信息：利用Kinect传感器的开发组件，建立软件开发环境；测得Kinect传感器与背景墙间的距离为dG，Kinect传感器获取的景深矩阵其取值范围为0～255，景深与真实距离的比例 $f=\frac{\mathrm{dG}}{255};$

2)Kinect传感器感知机动航天器模型，将数据传入计算机，通过步骤1)建立的软件开发环境分别建立像素矩阵及景深矩阵，然后计算出机动航天器模型相对于目标航天器模型的相对距离及姿态；

3）计算机向嵌入式计算机系统发送三个控制参数，分别为步骤2)中的α、hO、d，然后通过小车控制升缩连杆升降，控制小车旋转以及向目标航天器模型前进，即可完成对接；如对接不成功，则重新从步骤2）开始。

作为上述技术方案的进一步改进，所述计算机动航天器模型相对于目标航天器模型的相对距离及姿态过程如下：在机动航天器模型上设置三个靶标(A,B,O)，其中O为A、B两点所在的与中心轴垂直的面与中心轴的交点，A、B与O点之间的距离分别为OA、OB，且OA与OB是垂直的；在景深矩阵中分别找到A、B、O点的景深数据，即可得到三个靶标的景深值，分别将该值乘以f得到的便是A、B、O三点与Kinect的实际距离dA、dB、dO；测得A点在像素矩阵中距离像素矩阵中心点的纵向距离HA′,并测得像素距阵中A、B、O的投影点A’、B’、O’间距离分别为O′A′、O′B′，

计算机动航天器模型3在水平面内的姿态角

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{\mathrm{OA}\·O^{\′}{B}^{\′}}{O^{\′}{A}^{\′}\·\mathrm{OB}}\right)$

机动航天器模型中心点O与Kinect传感器视觉中轴线的高度差

$\mathrm{hO}=\frac{\mathrm{OA}\·{\mathrm{HA}}^{\′}}{O^{\′}{A}^{\′}}-\mathrm{OA}$

最后得出机动航天器模型与目标航天器模型的水平间距

$d=\sqrt{{\mathrm{dO}}^2-h{O}^2}$

作为上述技术方案的再进一步改进，所述靶标A、B、O的颜色与机动航天器模型及背景墙不同。

本发明所述的一种采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统及方法，具有以下优点：

（1）采用Kinect作为视觉及距离传感器，利用现成的成熟商用产品，简化了原有的硬件设计及平台搭建环节，让航天器交会对接验证过程专注于算法研究及开发上；

（2）采用微软公司提供的Kinect软件开发工具，简化了系统软件平台的设计过程，提高了效率。

附图说明

图1是本发明设计的硬件平台示意图；

图2是本发明设计的航天器交会对接验证流程；

图3是本发明设计的Kinect测距示意图；

图4是本发明设计的Kinect测角示意图；

图5是本发明中的Kinect像素矩阵示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

如图1所示，本发明公开的一种采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统，包括一个Kinect传感器1、目标航天器模型2、机动航天器模型3以及计算机5：目标航天器模型2与Kinect传感器1固连，Kinect传感器1通过USB接口连接连接到计算机5，机动航天器模型3通过程控升缩连杆连接在小车4上，从而可以实现机动航天器模型3在水平面内移动、旋转以及在垂直方向上升降共4个自由度的活动。小车4与单片机系统连接，单片机系统也与计算机5相连接，该演示验证系统还包括背景墙。

利用采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统进行的演示验证方法，包括以下步骤：

1）首先，Kinect传感器1初始化，建立背景环境信息：利用Kinect传感器1的开发组件，建立软件开发环境；测得Kinect传感器1与背景墙间的距离为dG，而Kinect传感器1获取的景深矩阵其取值范围为0～255，因此可以得到景深与真实距离的比例

2）接着，Kinect传感器1感知机动航天器模型3的图像数据及景深数据，计算出机动航天器模型3相对于目标航天器模型2的相对距离及姿态：Kinect传感器1感知机动航天器模型3，将数据传入计算机5，通过步骤1)建立的软件开发环境分别建立像素矩阵及景深矩阵，像素矩阵显示在背景墙上。在机动航天器模型3上设置三个靶标(A,B,O)，它们以不同的颜色区别于机动航天器模型及背景墙，这样可以方便地从像素矩阵中识别出三个靶标的像素位置点，其中O为A、B两点所在的与中心轴垂直的面与中心轴的交点，A、B与O点之间的距离分别为OA、OB，且OA与OB是垂直的。如图3、图4和图5所示，由于Kinect采集到的像素矩阵与景深矩阵对应的实现中的对象是完全重合的在景深矩阵中分别找到A、B、O点的景深数据，即可得到三个靶标的景深值，分别将该值乘以f得到的便是A、B、O三点与Kinect的实际距离dA、dB、dO。测得A点在像素矩阵中距离像素矩阵中心点的纵向距离HA′,并测得像素距阵中A、B、O的投影点A’、B’、O’间距离分别为O′A′、O′B′，

计算机动航天器模型3在水平面内的姿态角

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{\mathrm{OA}\·O^{\′}{B}^{\′}}{O^{\′}{A}^{\′}\·\mathrm{OB}}\right)$

机动航天器模型3中心点O与Kinect传感器1视觉中轴线的高度差

$\mathrm{hO}=\frac{\mathrm{OA}\·{\mathrm{HA}}^{\′}}{O^{\′}{A}^{\′}}-\mathrm{OA}$

最后得出机动航天器模型3与目标航天器模型2的水平间距

$d=\sqrt{{\mathrm{dO}}^2-h{O}^2}$

3）最后，计算机5向单片机系统发送三个控制参数，分别为步骤2）中的α、hO、dA、dB、dO，然后通过小车4控制升缩连杆升降，控制小车4旋转以及向目标航天器模型2前进，即可完成对接；如对接不成功，则重新从步骤2）开始。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统其特征在于：包括Kinect传感器（1）、目标航天器模型（2）、机动航天器模型（3）以及计算机（5）：目标航天器模型（2）与Kinect传感器（1）固连，Kinect传感器（1）连接到计算机（5），机动航天器模型（3）通过升缩连杆连接在小车（4）上，小车（4）与嵌入式计算机系统连接，嵌入式计算机系统也与计算机（5）相连接；该系统还包括背景墙。

2.根据权利要求1所述的一种采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统，其特征在于：所述嵌入式计算机系统与计算机（5）通过WIFI无线网络相连接。

3.根据权利要求2所述的一种采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统，其特征在于：所述嵌入式计算机系统为单片机系统。

4.根据权利要求3所述的一种采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统，其特征在于：所述升缩连杆为程控升缩连杆。

5.利用权利要求1或4所述的采用Kinect的航天器交会对接地面演示验证系统进行的演示验证方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)Kinect传感器（1）初始化，建立背景环境信息：利用Kinect传感器（1）的开发组件，建立软件开发环境；测得Kinect传感器（1）与背景墙间的距离为dG，Kinect传感器（1）获取的景深矩阵其取值范围为0～255，景深与真实距离的比例

2)Kinect传感器（1）感知机动航天器模型（3），将数据传入计算机（5），通过步骤1)建立的软件开发环境分别建立像素矩阵及景深矩阵，然后计算出机动航天器模型（3）相对于目标航天器模型（2）的相对距离及姿态；

3）计算机(5)向嵌入式计算机系统发送三个控制参数，分别为步骤2）中的α、hO、d，然后通过小车（4）控制升缩连杆升降，控制小车（4）旋转以及向目标航天器模型（2）前进，即可完成对接；如对接不成功，则重新从步骤2）开始。

6.根据权利要求5所述的演示验证方法，其特征在于：所述计算机动航天器模型（3）相对于目标航天器模型（2）的相对距离及姿态过程如下：在机动航天器模型（3）上设置三个靶标(A,B,O)，其中O为A、B两点所在的与中心轴垂直的面与中心轴的交点，A、B与O点之间的距离分别为OA、OB，且OA与OB是垂直的；在景深矩阵中分别找到A、B、O点的景深数据，即可得到三个靶标的景深值，分别将该值乘以f得到的便是A、B、O三点与Kinect的实际距离dA、dB、dO；测得A、B点在像素矩阵中距离中心点的纵向距离HA′、HB′,测得在像素距阵中A、O间距离为O′A′，B、O间距离为O′B′，计算机动航天器模型（3）在水平面内的姿态角

$\mathrm{\α}=\arccos \left(\frac{\mathrm{OA}\·O^{\′}{B}^{\′}}{O^{\′}{A}^{\′}\·\mathrm{OB}}\right)$

机动航天器模型（3）中心点O与Kinect传感器（1）视觉中轴线的高度差

$\mathrm{hO}=\frac{\mathrm{OA}\·{\mathrm{HA}}^{\′}}{O^{\′}{A}^{\′}}-\mathrm{OA}$

最后得出机动航天器模型（3）与目标航天器模型（2）的水平间距

$d=\sqrt{{\mathrm{dO}}^2-h{O}^2}$

7.根据权利要求6所述的演示验证方法，其特征在于：所述靶标A、B、O的颜色与机动航天器模型（3）及背景墙不同。

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