CN112577463B - 姿态参数修正的航天器单目视觉测距方法 - Google Patents

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    • G01C3/10—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders using a parallactic triangle with variable angles and a base of fixed length in the observation station, e.g. in the instrument

Abstract

本发明提供了一种姿态参数修正的航天器单目视觉测距方法，对目标航天器图像中帆板的边界进行提取，得到两侧帆板整体的长边投影向量和短边投影向量；计算长边投影向量和短边投影向量的夹角余弦和长度比；利用航天器帆板的投影变换关系以及帆板坐标系和相机坐标系之间的转换矩阵，建立航天器帆板姿态参数解算模型，解算航天器帆板姿态参数值；利用解算的帆板姿态参数和帆板整体长边的投影长度计算实际长度，然后依据相似投影关系计算航天器与相机的相对距离。本发明操作简便，独立性强，只需要目标航天器的图像，不需要其他测量结果，测距精度较高。

Description

姿态参数修正的航天器单目视觉测距方法
技术领域
本发明属于飞行器导航与制导领域，涉及一种利用光学相机对航天器进行距离测量的方法。
背景技术
航天器相对距离的测量是航天器进行机动抵近、编队飞行、交会对接等多种任务的关键技术。目前航天器相对距离的测量主要通过两种方式。一种方式是间接测量，即利用GPS/GLONASS/北斗或地面测控站对航天器分别进行跟踪定位，获取位置信息，然后计算航天器间相对距离。这种方法所需时间长，测量精度低，而且依赖于地面测控系统的支持。第二种方式是直接测量，即利用航天器搭载的仪器直接测量与其他航天器的相对距离。该方法测量速度快，且不依赖于地面设备进行自主测量，更适合应用于太空环境。
直接测量方法包括单目视觉测距、双目视觉测距、激光测距等。单目视觉测距是利用一个相机的单张图像来获取目标距离，相比双目视觉测距和激光测距，具有结构简单、标定方便、可靠性高等优点。当前的单目视觉测距方法仅适用于目标相对相机的姿态固定不变的情况，在太空中航天器可能以任何姿态出现在相机视场中，现有的方法在大部分情况下不能满足航天器单目视觉测距的要求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种姿态参数修正的航天器单目视觉测距方法，利用航天器帆板的投影变换关系，建立基于特征量的合作航天器帆板姿态参数解算模型，将解算的帆板姿态参数用于航天器单目视觉测距中，提高了单目视觉测距的测量精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
1)对目标航天器图像中帆板的边界进行提取，得到两侧帆板整体的长边投影向量和短边投影向量；
2)计算长边投影向量和短边投影向量的夹角余弦cosα和长度比λ；
3)利用航天器帆板的投影变换关系以及帆板坐标系和相机坐标系之间的转换矩阵，建立航天器帆板姿态参数解算模型，解算航天器帆板姿态参数|cosθx|的值；
4)利用解算的帆板姿态参数|cosθx|和帆板整体长边的投影长度l2'计算实际长度l2，然后依据相似投影关系，计算航天器与相机的相对距离D。
所述的步骤2)中长边投影向量OAC和短边投影向量OBC的夹角余弦
Figure BDA0002821990600000021
长度比
Figure BDA0002821990600000022
所述的步骤3)建立帆板坐标系和相机坐标系，相机坐标系以θz-θx-θy的欧拉角顺序旋转到帆板坐标系，定义绕X、Y、Z轴的旋转矩阵
Figure BDA0002821990600000023
Figure BDA0002821990600000024
根据
Figure BDA0002821990600000025
解算航天器帆板姿态参数|cosθx|的值。
所述的步骤4)依据相似投影关系得航天器两侧帆板整体长边在垂直于相机主光轴平面上的投影长度l2'与其在像面中的成像长度|OBC|之比等于航天器的相对距离与相机焦距之比，即
Figure BDA0002821990600000026
利用解算的帆板姿态参数|cosθx|计算得到两侧帆板整体长边的投影长度l2'＝l2|cosθx|，得航天器与相机的相对距离
Figure BDA0002821990600000027
本发明的有益效果是：通过识别航天器图像中的特征部件(帆板)，利用投影变换关系解算航天器的姿态参数，并将该姿态参数用于航天器单目视觉测距中，修正了传统单目视觉测距因目标姿态偏差产生的误差。该方法操作简便，独立性强，只需要目标航天器的图像，不需要其他测量结果；测距精度较高，仿真实验显示该方法在4000米距离上对不同姿态的目标航天器的测距标准差为10.35米。
附图说明
图1是小孔成像原理图；
图2是帆板坐标系与相机坐标系示意图；
图3是航天器帆板成像示意图；
图4是本发明的算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明利用航天器帆板的投影变换关系，建立基于特征量的合作航天器帆板姿态参数解算模型，将解算的帆板姿态参数用于航天器单目视觉测距中，提高了单目视觉测距的测量精度。
本发明包括以下步骤：
1)对目标航天器图像中帆板的边界进行提取，得到两侧帆板整体的长边投影向量OAC和短边投影向量OBC；
2)计算长边投影向量OAC和短边投影向量OBC的夹角余弦cosα和长度比λ；
3)利用航天器帆板的投影变换关系以及帆板坐标系和相机坐标系之间的转换矩阵，建立航天器帆板姿态参数解算模型，解算航天器帆板姿态参数|cosθx|的值；
4)利用解算的帆板姿态参数|cosθx|和帆板整体长边的投影长度l2'计算实际长度l2，然后依据相似投影关系，计算航天器与相机的相对距离D。
上述步骤的具体过程如下：
1)对航天器图像的帆板边界进行提取。
目标航天器帆板的宽度l1为1.72米，两侧帆板的整体长度l2为18.1米，用焦距f为7785像素的相机对目标航天器进行成像，对图像中帆板的边界进行提取，得到两侧帆板整体的长边投影向量OAC＝(6.21,-83.23)像素，短边投影向量OBC＝(1589.10,323.82)像素；
2)计算长边投影向量OAC和短边投影向量OBC的夹角余弦cosα和长度比λ。
根据式(1)计算长边投影向量OAC和短边投影向量OBC的夹角余弦cosα和长度比λ；
Figure BDA0002821990600000031
得到cosα＝-0.126，λ＝0.0515。
3)计算航天器帆板姿态参数。
如图1所示，在相机CCD平面建立像面坐标系，根据相似投影关系可得
Figure BDA0002821990600000041
其中，(x,y,z)为物点P1在相机坐标系下的坐标，(xC,yC)为物点投影位置P2在像面坐标系下的物理单位坐标。
如图2所示，建立帆板坐标系和相机坐标系。定义绕X、Y、Z轴的旋转矩阵
Figure BDA0002821990600000042
Figure BDA0002821990600000043
Figure BDA0002821990600000044
假设相机坐标系以θz-θx-θy的欧拉角顺序旋转到帆板坐标系，则相机坐标系到帆板坐标系的旋转矩阵RX-F表示为
RF-X＝RZ(-θz)·RX(-θx)·RY(-θy) (6)
帆板坐标系到相机坐标系的坐标转换公式为
SX＝RF-X·(SF+ΔS) (7)
其中，SX＝[x,y,z]T是物点在相机坐标系下的坐标，SF＝[xF,yF,zF]T是物点在帆板坐标系下的坐标，ΔS是由帆板坐标系向相机坐标系转换的平移向量。
如图2所示，已知帆板与旋转轴相垂直的边OA长度为l1，与旋转轴相平行的边OB长度为l2，则点O,A,B在帆板坐标系下的坐标分别为SO,F＝[0,0,0]T,SA,F＝[l1,0,0]T,SB,F＝[0,l2,0]T，
则由式(7)可得，O,A,B在相机坐标系下的坐标分别为
Figure BDA0002821990600000051
因为相机焦距f远小于O、A、B三点在相机坐标系下的z轴坐标，故有
Figure BDA0002821990600000052
定义
Figure BDA0002821990600000053
由式(2)(8)可得，点O、A、B的投影在像面坐标系下的坐标可表达如下
Figure BDA0002821990600000054
Figure BDA0002821990600000055
Figure BDA0002821990600000056
则边OA和边OB的投影在像面坐标系中的坐标为
Figure BDA0002821990600000057
将式(6)及式(13)代入式(1)中，可得
Figure BDA0002821990600000058
式两边同时平方，得
Figure BDA0002821990600000059
设
Figure BDA0002821990600000061
则式(15)可变为
Figure BDA0002821990600000062
将cosα、λ的值代入式(17)中，得
Figure BDA0002821990600000063
求解方程组得j＝0.0065，k＝0.7132。
由式(16)可得
Figure BDA0002821990600000064
将j代入式(18)，得帆板姿态参数|cosθx|＝0.9967。
4)计算目标航天器距离
如图3所示，依据相似投影关系，可得航天器两侧帆板整体长边在垂直于相机主光轴平面上的投影长度l2'与其在像面中的成像长度|OBC|之比等于航天器的相对距离与相机焦距之比，即
Figure BDA0002821990600000065
本发明利用解算的帆板姿态参数|cosθx|计算得到两侧帆板整体长边的投影长度l2'与实际长度l2关系如下
l2'＝l2|cosθx| (20)
可得航天器与相机的相对距离D计算公式如下
Figure BDA0002821990600000066
将l2、OBC、f和|cosθx|代入式(21)计算得到D＝7216.9米。
本发明依据航天器特殊的结构特征，对帆板在相机成像中的投影变换进行分析，研究帆板姿态与成像特征的关系，建立了基于特征量的合作航天器帆板姿态参数解算模型，将解算的帆板姿态参数用于航天器单目视觉测距中，实现了高精度的航天器单目视觉测距。

Claims (4)

1.一种姿态参数修正的航天器单目视觉测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对目标航天器图像中帆板的边界进行提取，得到两侧帆板整体的长边投影向量和短边投影向量；
2)计算长边投影向量和短边投影向量的夹角余弦cosα和长度比λ；
3)利用航天器帆板的投影变换关系以及帆板坐标系和相机坐标系之间的转换矩阵，建立航天器帆板姿态参数解算模型，解算航天器帆板姿态参数|cosθx|的值；
4)利用解算的帆板姿态参数|cosθx|和帆板整体长边的投影长度l2'计算实际长度l2，然后依据相似投影关系，计算航天器与相机的相对距离D。
2.根据权利要求1所述的姿态参数修正的航天器单目视觉测距方法，其特征在于，所述的步骤2)中长边投影向量OAC和短边投影向量OBC的夹角余弦
Figure FDA0002821990590000011
长度比
Figure FDA0002821990590000012
3.根据权利要求1所述的姿态参数修正的航天器单目视觉测距方法，其特征在于，所述的步骤3)建立帆板坐标系和相机坐标系，相机坐标系以θz-θx-θy的欧拉角顺序旋转到帆板坐标系，定义绕X、Y、Z轴的旋转矩阵
Figure FDA0002821990590000013
Figure FDA0002821990590000014
根据
Figure FDA0002821990590000015
解算航天器帆板姿态参数|cosθx|的值。
4.根据权利要求1所述的姿态参数修正的航天器单目视觉测距方法，其特征在于，所述的步骤4)依据相似投影关系得航天器两侧帆板整体长边在垂直于相机主光轴平面上的投影长度l2'与其在像面中的成像长度|OBC|之比等于航天器的相对距离与相机焦距之比，即
Figure FDA0002821990590000016
利用解算的帆板姿态参数|cosθx|计算得到两侧帆板整体长边的投影长度l2'＝l2|cosθx|，得航天器与相机的相对距离
Figure FDA0002821990590000021
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《基于单目视觉图像序列的空间非合作目标相对姿态估计》;郝刚涛;《航天控制》;20140430;第32卷(第2期);全文 *

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