CN116105694B - 一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法，涉及航天测量技术领域。其技术方案要点是，S1：远距离捕获跟踪测量；S2：近距离三维视觉测量；S3：近距离三维重建；S4：超近距离位姿测量与特征识别。本发明可广泛应用于空间故障航天器、空间碎片等目标的智能控制和测量导航技术，满足空间目标不同距离段的探测需求和导航任务。

Description

一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法
技术领域
本发明涉及航天测量技术领域，更具体地说，它涉及一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法。
背景技术
随着空间技术和应用的快速发展，失效卫星和太空垃圾的数量逐年增多，不仅造成了巨大的经济损失和社会影响，还占用了宝贵的地球轨道资源，并且对在轨服役卫星和国际空间站的安全构成了严重的威胁。在轨维修、营救、装配和空间碎片移除等在轨服务技术已成为航天领域重要的前沿问题。在轨服务的一个关键在于如何飞行器接近过程中如何快速准确识别目标卫星，确定两航天器的相对位置和姿态。由于太空环境的复杂性和空间目标的特征不确定性，单一的探测手段因自身能力约束，不能完全覆盖飞行器从远到近长距离阶段，无法满足飞行器不同距离段的高精度三维视觉测量与导航要求，极大增加了在轨任务的风险。将可见光相机、外相机、激光测距仪和激光成像雷达多种探测手段结合，充分发挥各自的优势，可实现对目标的由远及近无缝衔接三维视觉测量与导航，更可靠高效地完成在轨服务任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法，利用可见光相机、外相机、激光测距仪和激光成像雷达多种探测手段结合无缝衔接，以实现实时连续地为飞行器提供稳定准确的相对导航信息的目的。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法，包括如下步骤方法：
S1：远距离捕获跟踪测量；当被测目标距导航系统200km-20km时，利用远距离可见光相机探测弱目标，为导航系统提供目标的角度信息；
S2：近距离三维视觉测量；当被测目标距导航系统20km-120m时，利用可见光相机、红外相机和激光测距仪多手段探测目标，为导航系统提供目标的三维位姿信息；
S3：近距离三维重建；当被测目标距导航系统120m时，利用三维重建可见光相机探测目标，为导航系统提供目标三维重建模型；
S4：超近距离位姿测量与特征识别；当被测目标距导航系统120m—1m时，利用激光成像雷达和双目视觉相机探测目标，为导航系统提供目标的三维位姿信息和局部特征信息。
本发明进一步设置为：所述步骤S1中，当被测空间目标距导航系统200km-20km时，处于远距离捕获跟踪测量阶段，空间目标可视为点目标，利用大口径、小视场的可见光相机发现目标，识别目标后持续跟踪，计算目标的角度信息。
本发明进一步设置为：所述步骤S2中，当被测空间目标距导航系统20km-120m时，处于近距离三维视觉测量阶段，目标主体由点目标变化到2°。
本发明进一步设置为：所述步骤S2中，利用可见光相机、红外相机和激光测距仪共光轴设计、主被动结合探测跟踪，为导航系统提供目标的三维位姿信息的具体方法如下：
A.利用可见光相机和红外相机结合的手段大范围搜索识别目标，进行全天时自主跟踪，获取目标的相对角位置信息；
B.搜索跟踪到目标后,导航系统根据捕获到的目标在可见光相机和红外相机视场中的位置，驱动指向镜改变激光测距仪的视轴，激光测距仪自主进入稳定跟踪状态，调整指向使目标始终位于跟踪单元的视场中心。通过伺服控制单元的角位置传感器和目标在探测单元视场位置，获取目标的相对角位置信息，通过激光测量获得目标的相对距离信息和姿态信息。
本发明进一步设置为：所述步骤S3中，当被测空间目标距导航系统120m时，处于近距离三维重建阶段，利用三维重建可见光相机多角度成像，对目标详查，获取绕目标一圈的成像信息并将图像传送到地面进行三维重建，为导航系统提供目标高精度三维重建模型。
本发明进一步设置为：所述步骤S4中，当被测空间目标距导航系统120m-1m时，处于超近距离位姿测量与特征识别阶段，利用激光成像雷达和双目视觉相机，为导航系统提供目标的三维位姿信息和局部特征信息，其具体方法为：
(1).当被测目标距导航系统120m-20m时，利用激光成像雷达对目标快速扫描，获取目标的三维点云信息，与参考点云进行粗配准，计算目标的初始相对位置和姿态信息；精配准采用ICP算法，跟粗配准结果计算更精确的相对位姿信息，为导航系统提供目标的高精度实时三维位姿信息；
(2).当被测目标距导航系统20m-1m时，利用大视场双目可见光相机，对目标进行高分辨多成像，识别目标表面的关键特征，通过特征识别技术、立体匹配技术和三维重建技术建立目标模型；利用立体视差原理计算目标的相对位姿信息、为导航系统提供目标的三维位姿信息和局部特征信息。
本发明进一步设置为：为导航系统提供目标的三维位姿信息和局部特征信息，所述方法(2)中，识别目标表面的关键特征，所述关键特征为对接环、接插件标志点、边框和太阳帆板。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明针对航天在轨服务领域中，飞行器接近过程中如何快速准确识别目标卫星，确定两航天器相对位置和姿态的难题，利用可见光相机、外相机、激光测距仪和激光成像雷达多种探测手段结合，实现200km-1m距离段无缝衔接三维视觉测量与特征识别，为飞行器提供稳定准确的相对导航信息。本发明可广泛应用于空间故障航天器、空间碎片等目标的智能控制和测量导航技术，满足空间目标不同距离段的探测需求和导航任务。
附图说明
图1是本发明实施例一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法流程示意图；
具体实施方式
以下结合附图1对本发明作进一步详细说明。
实施例：一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法，如图1所示，包括如下步骤方法：
S1：远距离捕获跟踪测量阶段，当被测目标距导航系200km-20km时，利用远距离可见光相机探测弱目标，为导航系统提供目标的角度信息。
在具体实施时，该阶段的空间目标可视为点目标，利用大口径、小视场的可见光相机发现目标，识别目标后持续跟踪，计算目标的角度信息。
S2：近距离三维视觉测量阶段，当被测目标距导航系统20km-120m时，利用可见光相机、红外相机和激光测距仪多手段探测目标，为导航系统提供目标的三维位姿信息。
在具体实施时，该阶段的空间目标由点目标变化到2°，此范围内导航系统对目标的测量精度要求较高。首先利用可见光相机和红外相机结合的手段大范围搜索识别目标，进行全天时自主导航，获取目标的相对角位置信息；搜索跟踪到目标后，导航系统根据捕获到的目标在可见光相机和红外相机视场中的位置，驱动指向镜改变激光测距仪的视轴，激光测距仪自主进入稳定跟踪状态，调整指向使目标始终位于跟踪单元的视场中心。通过伺服控制单元的角位置传感器和目标在探测单元视场位置，获取目标的相对角位置信息，通过激光测量获得目标的相对距离信息和姿态信息。
S3：近距离三维重建阶段，当被测目标距导航系统120m时，利用三维重建可见光相机探测目标，为导航系统提供目标三维重建模型。
在具体实施时，利用三维重建可见光相机多角度成像，对目标详查，获取绕目标一圈的成像信息。图像传送到地面进行三维重建，为导航系统提供目标高精度三维重建模型。
S4：超近距离位姿测量与特征识别阶段，当被测目标距导航系统120m-1m时，利用激光成像雷达和双目视觉相机探测目标，为导航系统提供目标的三维位姿信息和局部特征信息。
本实施中，当被测目标距导航系统120m-20m时，利用激光成像雷达对目标快速扫描，获取目标的三维点云信息，与参考点云进行粗配准，计算目标的初始相对位置和姿态信息；精配准采用ICP算法，根粗配准结果计算更精确的相对位姿信息，为导航系统提供目标的高精度实时三维位姿信息；当距离20m-1m时，利用大视场双目可见光相机，对目标进行高分辨多成像，识别目标表面的关键特征(对接环、接插件标志点、边框和太阳帆板等)，通过特征识别技术、立体匹配技术和对接环重建技术建立目标模型；利用立体视差原理计算目标的相对位姿信息、为导航系统提供目标的三维位姿信息和局部特征信息。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法，其特征是：包括如下步骤方法：
S1：远距离捕获跟踪测量；当被测目标距导航系统200km-20km时，利用远距离可见光相机探测弱目标，为导航系统提供目标的角度信息；
S2：近距离三维视觉测量；当被测目标距导航系统20km-120m时，利用可见光相机、红外相机和激光测距仪多手段探测目标，为导航系统提供目标的三维位姿信息；当被测空间目标距导航系统20km-120m时，处于近距离三维视觉测量阶段，目标主体由点目标变化到2°；所述步骤S2中，利用可见光相机、红外相机和激光测距仪共光轴设计、主被动结合探测跟踪，为导航系统提供目标的三维位姿信息的具体方法如下：
A.利用可见光相机和红外相机结合的手段大范围搜索识别目标，进行全天时自主跟踪，获取目标的相对角位置信息；
B.搜索跟踪到目标后,导航系统根据捕获到的目标在可见光相机和红外相机视场中的位置，驱动指向镜改变激光测距仪的视轴，激光测距仪自主进入稳定跟踪状态，调整指向使目标始终位于跟踪单元的视场中心；通过伺服控制单元的角位置传感器和目标在探测单元视场位置，获取目标的相对角位置信息，通过激光测量获得目标的相对距离信息和姿态信息；
S3：近距离三维重建；当被测目标距导航系统120m时，利用三维重建可见光相机探测目标，为导航系统提供目标三维重建模型；所述步骤S3中，当被测空间目标距导航系统120m时，处于近距离三维重建阶段，利用三维重建可见光相机多角度成像，对目标详查，获取绕目标一圈的成像信息并将图像传送到地面进行三维重建，为导航系统提供目标高精度三维重建模型；
S4：超近距离位姿测量与特征识别；当被测目标距导航系统120m—1m时，处于超近距离位姿测量与特征识别阶段，利用激光成像雷达和双目视觉相机探测目标，为导航系统提供目标的三维位姿信息和局部特征信息的方法如下：
(1).当被测目标距导航系统120m-20m时，利用激光成像雷达对目标快速扫描，获取目标的三维点云信息，与参考点云进行粗配准，计算目标的初始相对位置和姿态信息；精配准采用ICP算法，跟粗配准结果计算更精确的相对位姿信息，为导航系统提供目标的高精度实时三维位姿信息；
(2).当被测目标距导航系统20m-1m时，利用大视场双目可见光相机，对目标进行高分辨成像，识别目标表面的关键特征，通过特征识别技术、立体匹配技术和对接环重建技术建立目标模型；利用立体视差原理计算目标的相对位姿信息、为导航系统提供目标的三维位姿信息和局部特征信息。
2.根据权利要求1所述的一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法，其特征是：所述步骤S1中，当被测空间目标距导航系统200km-20km时，处于远距离捕获跟踪测量阶段，空间目标可视为点目标，利用大口径、小视场的可见光相机发现目标，识别目标后持续跟踪，计算目标的角度信息。
3.根据权利要求1所述的一种多手段光学载荷复合的空间目标三维视觉测量方法，其特征是：所述步骤S4中，为导航系统提供目标的三维位姿信息和局部特征信息，所述方法(2)中，识别目标表面的关键特征，所述关键特征为对接环、接插件标志点、边框和太阳帆板。
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