CN108945536B - 一种基于旋翼飞行器的交会对接实验平台 - Google Patents

一种基于旋翼飞行器的交会对接实验平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于旋翼飞行器的交会对接实验平台，通过采用旋翼飞行器配合三自由度的云台模拟六自由度的航天器，采用单目视觉方法作为目标测量系统，来研究与验证交会对接逼近过程时的目标测量与导航控制方法。该平台具体包括：模拟目标航天器的目标飞行器、目标飞行器的云台末端粘贴目标标签、模拟追踪航天器的追踪飞行器、追踪飞行器上搭载云台相机和移动计算机；本发明采用无人机实现交会对接的模拟实验平台，相比于目前国内外通用的以工业六自由度机器人为基础的实验平台，灵活度高、成本低，适用于普通高校实验室的研究工作，利于交会对接研究工作的进一步开展。

Description

一种基于旋翼飞行器的交会对接实验平台
技术领域
本发明属于交会对接实验技术领域，涉及一种基于旋翼飞行器的交会对接实验平台。
背景技术
目前，对外层空间资源的开发和利用是各个国家密切关注的问题。建立空间站，对空间站进行定期维护、定期输送人员和物资，对故障航天器或者长期服役的航天器进行捕获与维修等航天任务的出现对航天技术提出了更高的要求。其中交会对接技术是达成这些任务需要解决的核心技术之一。所谓空间交会对接技术是指追踪航天器在空间轨道上主动寻找目标航天器，并且调整自身的位置、速度和姿态，逐渐逼近目标航天器，最后两航天器对接并在物理上连接成一体的过程。
研究交会对接技术对于航天事业的发展具有重要的意义，在实现空间交会对接之前需要进行大量的地面试验，因此搭建交会对接的实验平台研究交会对接技术首要考虑的问题。
哈尔滨工业大学王福有的研究中所采用的交会对接实验平台以MOTOMAN HP-20型机器人(一种六自由度工业机器人)和固定在三自由度运动平台上的Stewart平台机构为基础。其中，MOTOMAN HP-20型机器人固定有标志灯作为交会对接的目标，Stewart平台机构搭载有CCD相机作为交会对接的追踪器。
德国维尔茨堡大学L.Regoli等人的研究中所采用的的交会对接实验以两台KUKA机器人(库卡机器人，一种六轴机器人)为基础。其中一台库卡机器人固定有航天器模型作为交会对接的目标，另一台库卡机器人固定有摄像机作为交会对接的追踪器。
综上，在交会对接的实验室研究中，所采用的模拟试验平台主要以工业机器人为主，而采用无人机作为交会对接航天器模拟对象的研究较少。介于无人机相比于工业机器人具有成本低、灵活度高等优点，本发明提出一种以搭载云台相机的旋翼飞行器作为航天器模拟对象的交会对接实验平台。
发明内容
基于上述在交会对接的实验平台中，以无人机作为交会对接航天器模拟对象的研究较少，本发明提供了一种基于旋翼飞行器的交会对接实验平台。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于旋翼飞行器的交会对接实验平台，包括：
目标飞行器，采用旋翼飞行器，用其三维空间位置模拟目标刚体航天器的三维空间位置；在目标飞行器上搭载三轴云台，用云台的三维姿态角模拟目标刚体航天器的姿态角；
追踪飞行器，采用旋翼飞行器，用其三维空间位置模拟追踪刚体航天器的三维空间位置；在追踪飞行器上搭载三轴云台及相机，用云台的三维姿态角模拟追踪刚体航天器的姿态角；
目标标签，粘贴于目标飞行器的云台末端，用于辅助实现单目视觉的目标识别与位姿解算。
上述技术方案中，所述的追踪飞行器具体如下，包括：
旋翼飞行器，实现在三维空间中的运动；
三轴云台相机，安装于旋翼飞行器前端，由旋翼飞行器携载实现云台相机在三维空间的位置移动，由云台的三轴运动实现云台相机的姿态角的改变；同时云台相机作为交会对接逼近过程中的目标测量系统，拍摄目标飞行器图像传送给机载移动计算机；
机载移动计算机，安装于旋翼飞行器上，可与飞行器的飞控通信，并可以读取云台相机所拍摄的图片信息，结合目标标签实现单目视觉的目标识别与位姿解算，并实现对追踪飞行器和所载云台的控制。
本发明的交会对接实验平台的实现流程如下：
在目标飞行器所载的三轴云台末端粘贴目标标签，手动遥控目标飞行器在三维空间中运动，并遥控三轴云台运动；
手动遥控追踪飞行器和所载云台相机到一定的位置姿态，使得目标飞行器上的目标标签出现在云台相机视野中；
控制追踪飞行器上的云台相机拍摄目标图片；并通过移动计算机对所得的图片进行图像处理，获取特征目标标签，利用特征标记求解相对位置和姿态；然后该移动计算机发送指令给追踪飞行器与云台控制其位置和姿态，以逼近和对准目标飞行器的对接口。
所述的目标标签可以采用如Apriltag标签、ARtag标签、或ArUco标签中的任一种。
所述的机载移动计算机结合目标标签实现单目视觉的目标识别和位姿解算的算法是基于PnP(pespective-n-point)问题的求解，PnP问题，即已知相机所拍摄图像中标签四个顶点的2D坐标值，和实际三维空间中在标识物坐标系下标签四个顶点的3D坐标值，并且已知摄像机内部参数的情况下，根据这四组2D-3D坐标点的对应关系，可以求取摄像机坐标系与标识物坐标系之间的相对位置和姿态的关系。可采用的算法包括CV_P3P、CV_ITERATIVE、CV_EPNP等。
本发明的有益效果是：
本发明提出采用无人机实现交会对接的模拟实验平台，相比于以工业机器人为基础的实验平台，灵活度高、成本低，适用于普通高校实验室的研究工作，利于交会对接研究工作的进一步开展。本发明使用单目视觉方法测量得到目标飞行器的相对位置和相对姿态信息，并实时导航控制自身飞行器的姿态、方向和速度，不仅利于空间交会对接技术的研究，而且可以用于民用无人机跟拍技术、军用无人机追踪目标等技术的研究。
附图说明
图1是本发明基于旋翼飞行器的交会对接实验平台的功能模块图；
图2是本发明基于旋翼飞行器的交会对接实验平台的软件流程图；
图3是本发明基于旋翼飞行器的交会对接实验平台的理想示意图；
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图1展示了本发明基于旋翼飞行器的交会对接实验平台的功能模块图，本发明采用四旋翼无人机配合三自由度云台模拟六自由度的刚体航天器。在追踪飞行器上使用云台相机作为交会对接近距离逼近过程中的光学成像敏感器。同时，会在目标飞行器机载云台上贴有目标标签(如Apriltag标签)，作为交会对接过程中合作目标的特征排布。追踪飞行器上安装移动计算机配合云台相机，用于目标测量和导航控制。具体实现流程为：追踪飞行器上，由移动计算机控制云台相机拍摄目标图片；移动计算机对所得的图片进行图像处理，获取特征Apriltag标签，求解相对位置和姿态；移动计算机发送指令给追踪飞行器与云台控制其位置和姿态,实现对目标飞行器的逼近与对准。
图2展示了本发明基于旋翼飞行器的交会对接实验平台的软件流程图，采用ROS中基于话题的通讯机制，其中，在追踪飞行器中直接与飞控通信的节点可以发布从串口读取来的追踪飞行器与所载云台的位置和姿态的信息，以及摄像头拍摄的图像信息与摄像头自身参数信息；Apriltag目标定位节点订阅图像信息与相机参数信息，采用OpenCV(开源计算机视觉库)中的CV_ITERATIVE算法，获取目标标签相对于相机的位置姿态信息，并发布该位姿信息。Setpoint节点订阅相机与标签的相对位姿信息，并通过坐标转换发布飞行器和云台相机期望到达的目标位置和姿态值；PID控制节点订阅目标期望值与飞行器与云台的状态值，并通过PID控制器，发布速度控制量给上位机中直接与飞控通信的节点，以此来控制飞行器与云台运动。
本发明通过在目标飞行器所搭载的云台末端粘贴如Apriltag标签，使用遥控器手动控制目标飞行器及所载云台的运动。手动遥控控制追踪飞行器起飞，逼近目标飞行器，当目标Apriltag标签出现在追踪飞行器所载云台相机视野中时切换追踪飞行器为交会对接逼近程序控制，使得追踪飞行器携载云台相机逼近目标飞行器，并且实现追踪飞行器上的云台相机对准目标标签。当目标飞行器运动时，追踪飞行器会同步运动，保持交会对接的逼近对准状态。
图3展示了本发明基于旋翼飞行器的交会对接实验平台的理想示意图，追踪飞行器的云台相机与目标飞行器云台所粘贴的目标标签模拟空中飞行器交会对接的对接口。图3中贴有标签的圆柱体代表目标飞行器的所在位置和姿态，五角星代表追踪飞行器需要到达的最终逼近点。在追踪飞行器运动到最终逼近点的过程中，应该实时控制云台的角度，使得目标飞行器的标签一直在相机的视野中心。

Claims (3)

1.一种基于旋翼飞行器的交会对接实验平台，其特征在于，包括：
目标飞行器，采用旋翼飞行器，用其三维空间位置模拟目标刚体航天器的三维空间位置；在目标飞行器上搭载三轴云台，用云台的三维姿态角模拟目标刚体航天器的姿态角；
追踪飞行器，采用旋翼飞行器，用其三维空间位置模拟追踪刚体航天器的三维空间位置；在追踪飞行器上搭载三轴云台及相机，用云台的三维姿态角模拟追踪刚体航天器的姿态角；
目标标签，粘贴于目标飞行器的云台末端，用于辅助实现单目视觉的目标识别与位姿解算；
所述的追踪飞行器具体包括：
旋翼飞行器，实现在三维空间中的运动；
三轴云台相机，安装于旋翼飞行器前端，由旋翼飞行器携载实现云台相机在三维空间的位置移动，由云台的三轴运动实现云台相机的姿态角的改变；同时云台相机作为交会对接逼近过程中的目标测量系统，拍摄目标飞行器图像传送给机载移动计算机；
机载移动计算机，安装于旋翼飞行器上，可与飞行器的飞控通信，并可以读取云台相机所拍摄的图片信息，结合目标标签实现单目视觉的目标识别与位姿解算，并实现对追踪飞行器和所载云台的控制；
所述交会对接实验平台的实现流程如下：
在目标飞行器所载的三轴云台末端粘贴目标标签，手动遥控目标飞行器在三维空间中运动，并遥控三轴云台运动；
手动遥控追踪飞行器和所载云台相机到一定的位置姿态，使得目标飞行器上的目标标签出现在云台相机视野中；
程序控制追踪飞行器上的云台相机拍摄目标图片；并通过移动计算机对所得的图片进行图像处理，获取特征目标标签，求解相对位置和姿态；然后该移动计算机发送指令给追踪飞行器与云台控制其位置和姿态，以逼近和对准目标飞行器的对接口。
2.根据权利要求1所述的基于旋翼飞行器的交会对接实验平台，其特征在于，所述的目标标签为Apriltag标签、ARtag标签或ArUco标签。
3.根据权利要求1所述的基于旋翼飞行器的交会对接实验平台，其特征在于，所述的机载移动计算机结合目标标签实现单目视觉的目标识别和位姿解算对应基于PnP（pespective-n-point）问题的求解，采用的算法包括CV_P3P、CV_ITERATIVE、CV_EPNP。
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