CN112683249A - 一种航天器舱内设备装配位姿导引方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种航天器舱内设备装配位姿导引方法，包括以下步骤：在被测设备上粘贴第一靶标点；经纬仪测量第一靶标点在被测设备坐标系下的坐标；相机系统采集第一靶标点图像，得到其在相机测量坐标系下的坐标；计算相机系统的投影矩阵和比例系数；在舱体端面及舱内粘贴第二靶标点；经纬仪测量第二靶标点在舱体坐标系下的坐标；相机系统观测舱体内第一靶标点及第二靶标点，得到相机测量坐标系下的坐标；分别计算被测设备坐标系及舱体坐标系相对相机测量坐标系的旋转矩阵及平移矢量；计算被测设备坐标系到舱体坐标系的旋转矩阵及平移矢量。本申请的有益效果是：图像识别与准直测量相结合的方法，有效解决舱内设备装调位姿监测难题。

Description

一种航天器舱内设备装配位姿导引方法

技术领域

本公开涉及工业测量技术领域，具体涉及一种航天器舱内设备装配位姿导引方法。

背景技术

在空间站等航天器舱内设备总装集成过程中，需要测量预装配设备上的立方镜基准相对舱体立方镜基准之间的相对位置关系并实时反馈给装调机构，以便将预装配设备装调到一定精度，如力矩陀螺、机柜等。现有技术中，通常需要在舱体上开设透射窗，使用经纬仪建站准直测量方法测量预装配设备在舱体内的位置，经纬仪使用时通常需要将其布置在要测量的预装配设备立方镜反射面的正前方也即垂直反射面法线方向。但是由于舱内空间狭小、光路遮挡，因此对预装配在舱体内各个位置的设备不便将经纬仪分别布置在适宜的位置，因此难以实时测量预装配设备在舱体内的位置信息。

发明内容

本申请的目的是针对以上问题，提供一种航天器舱内设备装配位姿导引方法。

第一方面，本申请提供一种航天器舱内设备装配位姿导引方法，包括以下步骤：

(1)在被测设备上随机粘贴若干第一靶标点；

(2)经纬仪测量第一靶标点在被测设备基准立方镜坐标系下的第一坐标；

(3)将相机系统固定在固定装置上，采集第一靶标点图像，得到第一靶标点在相机测量坐标系下的第二坐标；

(4)将相机系统等效为中心透视投影模型，通过第一坐标及第二坐标得到相机系统的投影矩阵和比例系数；

(5)在舱体端面及舱内随机粘贴若干第二靶标点；

(6)经纬仪测量第二靶标点在舱体基准立方镜坐标系下的第三坐标；

(7)将固定装置固定在舱体外，相机系统通过舱门观测舱体内的第一靶标点及第二靶标点，得到第一靶标点及第二靶标点在相机测量坐标系下的坐标，分别记为第四坐标及第五坐标；

(8)根据最小二乘拟合求得被测设备坐标系到相机测量坐标系的第一旋转矩阵，第一平移矢量，舱体坐标系到相机测量坐标系的第二旋转矩阵，第二平移矢量；

(9)计算被测设备坐标系到舱体坐标系的第三旋转矩阵及第三平移矢量。

根据本申请实施例提供的技术方案，步骤(1)，具体包括：在被测设备上随机粘贴三个以上第一靶标点，记为P_bi，(i＝1,2,3…n)。

根据本申请实施例提供的技术方案，步骤(2)，具体包括：采用经纬仪准直建站方法测量第一靶标点在被测设备基准立方镜坐标系 O_b-X_bY_bZ_b下的第一坐标P_bi(x_bi,y_bi,z_bi)，(i＝1,2,3…n)。

根据本申请实施例提供的技术方案，步骤(3)，具体包括：将两个工业相机固定在固定装置上，调整两个相机的光轴夹角，采集第一靶标点图像，得到第一靶标点分别在两个相机测量坐标系下的第二坐标，分别记为P_li(x_li,y_li)、P_ri(x_ri,y_ri)。

根据本申请实施例提供的技术方案，步骤(4)，具体包括：设两个相机的投影矩阵分别为M_L和M_R，比例系数分别为ρ_li、ρ_ri，则得到以下两式：

将P_bi(x_bi,y_bi,z_bi)、P_li(x_li,y_li)及P_ri(x_ri,y_ri)坐标点分别代入上述公式(1)及公式(2)中，计算出投影矩阵M_L、M_R和比例系数ρ_li、ρ_ri。

根据本申请实施例提供的技术方案，步骤(5)，具体包括：在舱体端面及舱内随机粘贴三个以上第二靶标点，记为P_ci，(i＝1,2,3…n)。

根据本申请实施例提供的技术方案，步骤(6)，具体包括：采用经纬仪准直建站方法测量第二靶标点在舱体基准立方镜坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的第三坐标P_ci(x_ci,y_ci,z_ci)，(i＝1,2,3…n)。

根据本申请实施例提供的技术方案，步骤(7)，具体包括：将固定装置固定在舱体外，相机系统通过舱门观测舱体内的第一靶标点及第二靶标点，将得到的第一靶标点坐标及第二靶标点坐标代入公式(1)及公式(2)，并根据投影矩阵M_L、M_R和比例系数ρ_li、ρ_ri，计算得到第一靶标点及第二靶标点在舱体基准立方镜坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的坐标，分别为第四坐标 P_bzi(x_bzi,y_bzi,z_bzi)及第五坐标P_czi(x_czi,y_czi,z_czi)，其中(i＝1,2,3…n)。

根据本申请实施例提供的技术方案，步骤(8)，具体包括：设被测设备坐标系O_b-X_bY_bZ_b到相机测量坐标系O_z-X_zY_zZ_z的第一旋转矩阵为A_bz，第一平移矢量为T_bz，舱体坐标系O_c-X_cYcZ_c到相机测量坐标系O_z-X_zY_zZ_z的第二旋转矩阵为A_cz，第二平移矢量为T_cz，则：

将P_bi(x_bi,y_bi,z_bi)、P_ci(x_ci,y_ci,z_ci)、P_bzi(x_bzi,y_bzi,z_bzi)、P_czi(x_czi,y_czi,z_czi)坐标点分别代入公式(3)和公式(4)，由最小二乘拟合求得第一旋转矩阵A_bz、第二旋转矩阵A_cz、第一平移矢量T_bz、第二平移矢量T_cz。

根据本申请实施例提供的技术方案，步骤(9)，具体包括：设被测设备坐标系O_b-X_bY_bZ_b到舱体坐标系O_c-X_cYcZ_c的第三旋转矩阵为A_bc，第三平移矢量为T_bc，则：

根据第三旋转矩阵及第三平移矢量即可得出被测设备在舱体内的相对位置坐标。

本发明的有益效果：本申请提供一种航天器舱内设备装配位姿导引方法，采用图像识别与准直测量相结合的方法，先通过经纬仪准直测量被测设备坐标系下第一靶标坐标，再搭建多目摄影测量相机系统，通过第一靶标坐标对相机内参外参进行标定，再由相机系统实时监测第一靶标点及第二靶标点，并实时拟合出被测设备相对舱体基准的姿态。

使用相机系统测量时可从舱体侧面拍摄，不需要相机系统垂直立方镜反射面的法线方向进行测量，因此可以有效解决舱内设备装调位姿监测难题；同时由于使用经纬仪准直测量与相机系统测量相结合，使用被测靶标点代替传统的靶标尺对相机内参外参进行标定，提高了位姿导引效率同时实现了相机参数的最优化。

附图说明

图1为本申请第一种实施例的流程图；

图2为本申请航天器舱体立方镜分布示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。

如图1所示为本申请的第一种实施例的示意图，包括以下步骤：

S1、在被测设备上随机粘贴若干第一靶标点。

本步骤具体包括：在被测设备上随机粘贴三个以上第一靶标点，记为 P_bi，(i＝1,2,3…n)。

S2、经纬仪测量第一靶标点在被测设备基准立方镜坐标系下的第一坐标。

本步骤具体包括：采用经纬仪准直建站方法测量第一靶标点在被测设备基准立方镜坐标系O_b-X_bY_bZ_b下的第一坐标P_bi(x_bi,y_bi,z_bi)，(i＝1,2,3…n)。

本实施例中，立方镜是一个用光学玻璃做成的正交六面体，如图2所示，包括顶面、底面和四个侧面，每个面均镀有反射膜。三个相互正交的镜面法线可以代表设备本体坐标系的x轴、y轴、z轴指向，立方镜中心点代表坐标系原点。

本实施例中，在航天器舱体内预装配的各个被测设备上分别安装立方镜。

本实施例中，准直经纬仪是一种由准直望远镜、二维转台构成的准直测量设备。可以通过望远镜与平面反射镜(立方镜反射面)准直，得到平面镜法线与经纬仪坐标系的夹角。经纬仪的测量原理可参见《一种经纬仪自准直姿态实时测量方法》(2015年《光电工程》第42卷第5期)。

S3、将相机系统固定在固定装置上，采集第一靶标点图像，得到第一靶标点在相机测量坐标系下的第二坐标。

本步骤具体包括：将两个工业相机固定在固定装置上，调整两个相机的光轴夹角，采集第一靶标点图像，得到第一靶标点分别在两个相机测量坐标系下的第二坐标，分别记为P_li(x_li,y_li)、P_ri(x_ri,y_ri)。

本实施例中，相机系统固定在一根横杆上。

S4、将相机系统等效为中心透视投影模型，通过第一坐标及第二坐标得到相机系统的投影矩阵和比例系数。

本步骤具体包括：设两个相机的投影矩阵分别为M_L和M_R，比例系数分别为ρ_li、ρ_ri，则得到以下两式：

将P_bi(x_bi,y_bi,z_bi)、P_li(x_li,y_li)及P_ri(x_ri,y_ri)坐标点分别代入上述公式(1)及公式(2)中，计算出投影矩阵M_L、M_R和比例系数ρ_li、ρ_ri。

本实施例中，相机系统由一台或多台工业相机组成，可通过采集图像，得到图像中标志点相对相机测量坐标系的坐标。相机系统的测量原理及方法可参见《多相机坐标测量技术的研究》(2017年中国科学技术大学张裕海硕士论文)。

本实施例中，S4步骤为根据多个预装配的被测设备中的一个被测设备上的第一靶标点进行相机系统内参及外参标定的过程。本实施例中，相机系统参数一次标定完成后，即可进行接下来对各个被测设备的测量工作。

S5、在舱体端面及舱内随机粘贴若干第二靶标点。

本步骤具体包括：在舱体端面及舱内随机粘贴三个以上第二靶标点，记为P_ci，(i＝1,2,3…n)。

S6、经纬仪测量第二靶标点在舱体基准立方镜坐标系下的第三坐标。

本步骤具体包括：采用经纬仪准直建站方法测量第二靶标点在舱体基准立方镜坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的第三坐标P_ci(x_ci,y_ci,z_ci)，(i＝1,2,3…n)。

本实施例中，舱体内安装相应的立方镜。

S7、将固定装置固定在舱体外，相机系统通过舱门观测舱体内的第一靶标点及第二靶标点，得到第一靶标点及第二靶标点在相机测量坐标系下的坐标，分别记为第四坐标及第五坐标。

本步骤具体包括：将固定装置固定在舱体外，相机系统通过舱门观测舱体内的第一靶标点及第二靶标点，将得到的第一靶标点坐标及第二靶标点坐标代入公式(1)及公式(2)，并根据投影矩阵ML、MR和比例系数ρli、ρri，计算得到第一靶标点及第二靶标点在舱体基准立方镜坐标系 Oc-XcYcZc下的坐标，分别为第四坐标Pbzi(xbzi,ybzi,zbzi)及第五坐标 Pczi(xczi,yczi,zczi)，其中(i＝1,2,3…n)。

本实施例中，相机系统固定时相对舱体位置的布置要求低于经纬仪需要正对被测设备立方镜反射平面镜的布置要求，相机系统只需要设置在舱体外侧舱门的位置，可拍摄到舱体内被测设备即可，因此操作方便，位姿导引效率较高。

S8、根据最小二乘拟合求得被测设备坐标系到相机测量坐标系的第一旋转矩阵，第一平移矢量，舱体坐标系到相机测量坐标系的第二旋转矩阵，第二平移矢量。

本步骤具体包括：设被测设备坐标系O_b-X_bY_bZ_b到相机测量坐标系 O_z-X_zY_zZ_z的第一旋转矩阵为A_bz，第一平移矢量为T_bz，舱体坐标系 O_c-X_cYcZ_c到相机测量坐标系O_z-X_zY_zZ_z的第二旋转矩阵为A_cz，第二平移矢量为T_cz，则：

将第一靶标点的第一坐标P_bi(x_bi,y_bi,z_bi)、第二靶标点的第三坐标 P_ci(x_ci,y_ci,z_ci)、第一靶标点的第四坐标P_bzi(x_bzi,y_bzi,z_bzi)、第二靶标点的第五坐标P_czi(x_czi,y_czi,z_czi)坐标点分别代入公式(3)和公式(4)，由最小二乘拟合求得第一旋转矩阵A_bz、第二旋转矩阵A_cz、第一平移矢量T_bz、第二平移矢量T_cz。

S9、计算被测设备坐标系到舱体坐标系的第三旋转矩阵及第三平移矢量。

本步骤具体包括：设被测设备坐标系O_b-X_bY_bZ_b到舱体坐标系 O_c-X_cYcZ_c的第三旋转矩阵为A_bc，第三平移矢量为T_bc，则：

根据第一旋转矩阵A_bz、第二旋转矩阵A_cz求得三旋转矩阵为A_bc，根据第一平移矢量T_bz、第二平移矢量T_cz求得三旋转矩阵为T_bc，根据第三旋转矩阵A_bc及第三平移矢量T_bc即可得出被测设备在舱体内的相对位置坐标，也即被测设备坐标系与舱体坐标系之间的转换关系。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将申请的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种航天器舱内设备装配位姿导引方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在被测设备上随机粘贴若干第一靶标点；

(2)经纬仪测量第一靶标点在被测设备基准立方镜坐标系下的第一坐标；

(3)将相机系统固定在固定装置上，采集第一靶标点图像，得到第一靶标点在相机测量坐标系下的第二坐标；

(4)将相机系统等效为中心透视投影模型，通过第一坐标及第二坐标得到相机系统的投影矩阵和比例系数；

(5)在舱体端面及舱内随机粘贴若干第二靶标点；

(6)经纬仪测量第二靶标点在舱体基准立方镜坐标系下的第三坐标；

(7)将固定装置固定在舱体外，相机系统通过舱门观测舱体内的第一靶标点及第二靶标点，得到第一靶标点及第二靶标点在相机测量坐标系下的坐标，分别记为第四坐标及第五坐标；

(8)根据最小二乘拟合求得被测设备坐标系到相机测量坐标系的第一旋转矩阵，第一平移矢量，舱体坐标系到相机测量坐标系的第二旋转矩阵，第二平移矢量；

(9)计算被测设备坐标系到舱体坐标系的第三旋转矩阵及第三平移矢量。

2.根据权利要求1所述的航天器舱内设备装配位姿导引方法，其特征在于，步骤(1)，具体包括：在被测设备上随机粘贴三个以上第一靶标点，记为P_bi，(i＝1,2,3…n)。

3.根据权利要求2所述的航天器舱内设备装配位姿导引方法，其特征在于，步骤(2)，具体包括：采用经纬仪准直建站方法测量第一靶标点在被测设备基准立方镜坐标系O_b-X_bY_bZ_b下的第一坐标P_bi(x_bi,y_bi,z_bi)，(i＝1,2,3…n)。

4.根据权利要求3所述的航天器舱内设备装配位姿导引方法，其特征在于，步骤(3)，具体包括：将两个工业相机固定在固定装置上，调整两个相机的光轴夹角，采集第一靶标点图像，得到第一靶标点分别在两个相机测量坐标系下的第二坐标，分别记为P_li(x_li,y_li)、P_ri(x_ri,y_ri)。

5.根据权利要求4所述的航天器舱内设备装配位姿导引方法，其特征在于，步骤(4)，具体包括：设两个相机的投影矩阵分别为M_L和M_R，比例系数分别为ρ_li、ρ_ri，则得到以下两式：

将P_bi(x_bi,y_bi,z_bi)、P_li(x_li,y_li)及P_ri(x_ri,y_ri)坐标点分别代入上述公式(1)及公式(2)中，计算出投影矩阵M_L、M_R和比例系数ρ_li、ρ_ri。

6.根据权利要求5所述的航天器舱内设备装配位姿导引方法，其特征在于，步骤(5)，具体包括：在舱体端面及舱内随机粘贴三个以上第二靶标点，记为P_ci，(i＝1,2,3…n)。

7.根据权利要求6所述的航天器舱内设备装配位姿导引方法，其特征在于，步骤(6)，具体包括：采用经纬仪准直建站方法测量第二靶标点在舱体基准立方镜坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的第三坐标P_ci(x_ci,y_ci,z_ci)，(i＝1,2,3…n)。

8.根据权利要求7所述的航天器舱内设备装配位姿导引方法，其特征在于，步骤(7)，具体包括：将固定装置固定在舱体外，相机系统通过舱门观测舱体内的第一靶标点及第二靶标点，将得到的第一靶标点坐标及第二靶标点坐标代入公式(1)及公式(2)，并根据投影矩阵M_L、M_R和比例系数ρ_li、ρ_ri，计算得到第一靶标点及第二靶标点在舱体基准立方镜坐标系O_c-X_cY_cZ_c下的坐标，分别为第四坐标P_bzi(x_bzi,y_bzi,z_bzi)及第五坐标P_czi(x_czi,y_czi,z_czi)，其中(i＝1,2,3…n)。

9.根据权利要求8所述的航天器舱内设备装配位姿导引方法，其特征在于，步骤(8)，具体包括：设被测设备坐标系O_b-X_bY_bZ_b到相机测量坐标系O_z-X_zY_zZ_z的第一旋转矩阵为A_bz，第一平移矢量为T_bz，舱体坐标系O_c-X_cYcZ_c到相机测量坐标系O_z-X_zY_zZ_z的第二旋转矩阵为A_cz，第二平移矢量为T_cz，则：

将P_bi(x_bi,y_bi,z_bi)、P_ci(x_ci,y_ci,z_ci)、P_bzi(x_bzi,y_bzi,z_bzi)、P_czi(x_czi,y_czi,z_czi)坐标点分别代入公式(3)和公式(4)，由最小二乘拟合求得第一旋转矩阵A_bz、第二旋转矩阵A_cz、第一平移矢量T_bz、第二平移矢量T_cz。

10.根据权利要求9所述的航天器舱内设备装配位姿导引方法，其特征在于，步骤(9)，具体包括：设被测设备坐标系O_b-X_bY_bZ_b到舱体坐标系O_c-X_cYcZ_c的第三旋转矩阵为A_bc，第三平移矢量为T_bc，则：

根据第三旋转矩阵及第三平移矢量即可得出被测设备在舱体内的相对位置坐标。

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