CN112985411A - 一种气浮台靶标布局以及姿态解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气浮台靶标布局以及姿态解算方法，首先在气浮台台面上设置五个靶标；五个靶标均为圆形，外周均设有反光的同心环区域且反光区域的内径各不相同；其中四个靶标和气浮台台面共面，另一个靶标通过连接杆设置在气浮台台面上；然后分析初始帧和现有帧，利用五个靶标反光同心环区域的面积不同，计算出初始帧和现有帧中五个靶标的位置信息，最后通过ICP算法计算出初始帧和现有帧之间的旋转矩阵与平移矩阵输出姿态信息。本发明增强了航天器姿态解算的鲁棒性，提高了航天器姿态结算的精确性。
Description
技术领域
本发明涉及视觉相对导航领域，尤其涉及一种气浮台靶标布局以及姿态解算方法。
背景技术
由于航天器研制成本高，一旦发射后维护成本巨大，且操作困难，科学实验具有不可逆性。考虑到成本以及操作难度，气浮台在航天半物理仿真领域发挥着巨大的作用，极大的降低了维护难度。其中气浮台姿态信息获取器件如倾角计等器件的价格比较高昂，且存在干扰问题。
设计一套高精度、低成本、抗干扰能力强的姿态信息获取系统尤为关键。采用视觉的姿态获取系统很好满足了成本低的特点，但是靶标的形状及其布局设计对精度与抗干扰能力影响巨大。如果靶标点设置较少将会影响测量精度，甚至无法解算姿态信息，并且因为环境变化的原因，如何考虑靶标的布局以提高鲁棒性也是待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种气浮台靶标布局以及姿态解算方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种气浮台靶标布局以及姿态解算方法，包括以下步骤：
步骤1），在气浮台台面上设置五个靶标，所述五个靶标均为圆形且半径相同；所述五个靶标的上端面上均涂有反光材料，使得五个靶标的上端面均形成中心非反光的圆形区域和外周反光的同心环区域，且五个靶标反光的同心环区域的内径各不相同；
所述五个靶标中，其中四个靶标和气浮台台面共面，另一个靶标通过连接杆设置在气浮台台面上，连接杆一端和该靶标的下端面同轴垂直固连、另一端和气浮台台面垂直固连；
所述五个靶标中任意三个靶标的圆心均不共线；
步骤2），获得初始帧和现有帧；
步骤3），分析初始帧和现有帧，利用五个靶标反光同心环区域的面积不同，计算出初始帧和现有帧中五个靶标的位置信息；
步骤4），利用初始帧和现有帧中五个靶标的位置信息，通过ICP算法计算出初始帧和现有帧之间的旋转矩阵与平移矩阵输出姿态信息。
作为本发明一种气浮台靶标布局以及姿态解算方法进一步的优化方案，所述五个靶标在气浮台台面外缘周向均匀设置。
作为本发明一种气浮台靶标布局以及姿态解算方法进一步的优化方案，所述连接杆长20cm。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明采用半径各不相同的同心圆形靶标来获取靶标的标号信息，以此可以采用最小迭代二乘法求得气浮台姿态信息。采用4个不共线但共面的靶标放置在台面上，一个靶标放置在台面外以此来提高姿态获取的精确性。
附图说明
图1是本发明中靶标布局的俯视图；
图2是本发明中靶标布局的立体结构示意图；
图3是本发明中靶标布局进行姿态解算的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
本发明公开了一种气浮台靶标布局以及姿态解算方法，包括以下步骤：
步骤1），在气浮台台面上设置五个靶标，所述五个靶标均为圆形且半径相同；所述五个靶标的上端面上均涂有反光材料，使得五个靶标的上端面均形成中心非反光的圆形区域和外周反光的同心环区域，且五个靶标反光的同心环区域的内径各不相同；
所述五个靶标中，其中四个靶标和气浮台台面共面，另一个靶标通过连接杆设置在气浮台台面上，连接杆一端和该靶标的下端面同轴垂直固连、另一端和气浮台台面垂直固连；
所述五个靶标中任意三个靶标的圆心均不共线；
步骤2），获得初始帧和现有帧；
步骤3），分析初始帧和现有帧，利用五个靶标反光同心环区域的面积不同，计算出初始帧和现有帧中五个靶标的位置信息；由于五个靶标反光同心环区域的面积不同，通过获取不同靶标的反光面积大小可以判定靶标的标号；而圆形具有旋转平移的不变性，在倾斜不同的角度后获得不同形状的椭圆，椭圆与圆很容易获得圆心；
步骤4），利用初始帧和现有帧中五个靶标的位置信息，通过ICP算法计算出初始帧和现有帧之间的旋转矩阵与平移矩阵输出姿态信息。
最小二乘迭代法的原理如下：拟合得到圆心后通过将标号信息与其对应，通过将获取到的现有帧的靶标位置信息与已知定义好的初始帧位置信息利用最小二乘迭代法可以解算出旋转矩阵R与平移矩阵T得到位置姿态信息。
姿态解算算法必须需要至少4个不共线的点，而放在在台体外的靶标可以提高姿态解算的精度。如图1、图2所示，所述五个靶标在气浮台台面外缘周向均匀设置，所述连接杆长20cm。有四个不共线的靶标在气浮台台面上，一个靶标在气浮台台面20cm上，另外四个共面不共线的靶标用于解算气浮台的台体姿态，位于台面上20cm的靶标可以增加气浮台姿态解算的精度。如附图3所示，如台面上存在2个靶标P1与P2，P1与P2共线，台面上处约20cm有一个靶标P3，且OP1与OP2垂直于OP3，经过一定角度的旋转后三个点分别位于P1’、P2’、P3’三点上，可以看出位于台面外的一点对于图像平面上的投影有着更大的分辨率，这意味着如果在台面外添加一个靶标，可以使得在滚动轴与俯仰轴上获得更高的精度，相比于靶标全在平面内的情况下，精度有所提高。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种气浮台靶标布局以及姿态解算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1），在气浮台台面上设置五个靶标，所述五个靶标均为圆形且半径相同；所述五个靶标的上端面上均涂有反光材料，使得五个靶标的上端面均形成中心非反光的圆形区域和外周反光的同心环区域，且五个靶标反光的同心环区域的内径各不相同；
所述五个靶标中，其中四个靶标和气浮台台面共面，另一个靶标通过连接杆设置在气浮台台面上，连接杆一端和该靶标的下端面同轴垂直固连、另一端和气浮台台面垂直固连；
所述五个靶标中任意三个靶标的圆心均不共线；
步骤2），获得初始帧和现有帧；
步骤3），分析初始帧和现有帧，利用五个靶标反光同心环区域的面积不同，计算出初始帧和现有帧中五个靶标的位置信息；
步骤4），利用初始帧和现有帧中五个靶标的位置信息，通过ICP算法计算出初始帧和现有帧之间的旋转矩阵与平移矩阵输出姿态信息。
2.根据权利要求1所述的气浮台靶标布局以及姿态解算方法，其特征在于，所述五个靶标在气浮台台面外缘周向均匀设置。
3.根据权利要求1所述的气浮台靶标布局以及姿态解算方法，其特征在于，所述连接杆长20cm。
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