CN117963167B - 一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于宇宙飞行器部件技术领域，提供了一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法，所述方法包括：对已配置好的位姿调整装置进行初始化，根据双目相机进行特征识别匹配的结果解算出盘绕式伸展臂的当前位姿，得到盘绕式伸展臂的位姿偏移值；根据所述位姿偏移值控制调整机构进行盘绕式伸展臂位姿的初步调整，使盘绕式伸展臂位姿回到第二位姿状态，该第二位姿状态趋近于盘绕式伸展臂的初始位姿状态，同时，使激光发生器回到位置敏感探测器的探测区域内；本发明既可以弥补视觉测量结果指导调整关键位姿精度不足的缺陷，又可以避免激光高精测量脱靶的不利影响，使完成空间望远镜特定要求的位姿调整更为精确与可靠。
Description
技术领域
本发明属于宇宙飞行器部件技术领域，提供了一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法。
背景技术
近年来，具备研制成本低、研发周期短等优点的微小卫星技术受到了重点关注与研究。空间盘绕式伸展臂是一种空间可展开结构，具有压缩比大，比质量小，展开收拢方式灵活等优点，在卫星入轨前收拢在有限的空间内，卫星入轨后展开为预定的空间构型，很适合应用到星上资源有限的微小卫星平台上以扩展其功能，应用前景广阔。其中一种典型应用方式是在空间望远镜领域的应用，望远镜镜头可安装于盘绕式伸展臂的顶部，位于焦点的探测器则位于卫星本体（或卫星平台）上，盘绕式伸展臂展开后可使得望远镜焦距远大于卫星本体（或航天器）尺寸，进而大幅度提升观测性能。而以空间望远镜为代表的科学载荷往往具有高精度指向的要求，盘绕式伸展臂作为柔性展开机构，自身刚度相对较低，在空间高低温环境下容易产生变形，仅靠自身展开精度往往难以满足要求，需要具备位姿调整能力。
在进行位姿调整之前，通常需要进行位姿测量。位姿测量的方法中，激光测量精度最高，但要求解全部六自由度位姿成本高、所需设备条件复杂，往往需要多个激光发生装置、反射镜等设备的协同配合，且由于盘绕式伸展臂展开后发生的变形可能导致激光点脱靶，脱离位置敏感探测器的激光点信号接收范围导致纯激光测量指导位姿调整适应度较差。视觉测量硬件要求较低，视野范围广，六自由度位姿解算算法相对成熟，但精度相对较低，难以完全依靠其测量结果指导位姿调整来满足精密光学设备对于焦距以及光轴在焦平面的落点位置的严格要求。
因此，需要设计一种精度足够、所需设备相对简单的盘绕式伸展臂位姿调整方法，使其能够满足空间相机光学成像要求。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法，以解决上述背景技术提到的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法，包括以下步骤：
对已配置好的位姿调整装置进行初始化，该位姿调整装置包括双目相机、激光发生器、位置敏感探测器和调整机构；
根据双目相机进行特征识别匹配的结果解算出盘绕式伸展臂的当前位姿，得到盘绕式伸展臂的位姿偏移值；
根据所述位姿偏移值控制调整机构进行盘绕式伸展臂位姿的初步调整，使盘绕式伸展臂位姿回到第二位姿状态，该第二位姿状态趋近于盘绕式伸展臂的初始位姿状态，同时，使激光发生器回到位置敏感探测器的探测区域内；
获取位置敏感探测器识别激光发生器产生的激光点而得到的该激光点的二维位置坐标及距离，解算得粗调后盘绕式伸展臂的平动偏移值；
根据得到的平动偏移值，控制调整机构进行盘绕式伸展臂位姿的调整，完成精调。
进一步地，在对已配置好的位姿调整装置进行初始化的步骤前，所述方法还包括：
配置位姿调整装置；具体包含有：
将激光发生器安装在盘绕式伸展臂顶盘底部且与顶盘平面垂直；
将位置敏感探测器安装在激光发生器下方的卫星平台表面，位置敏感探测器的中心在激光发生器的激光光路上；
在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部设置特征图像，并在特征图像下方的卫星平台上安装双目相机；
在盘绕式伸展臂底部安装调整机构，该调整机构具有六个调整自由度。
进一步地，所述对已配置好的位姿调整装置进行初始化的步骤，至少包括：
基于已配置好的位姿调整装置，标定双目相机的相机参数；相机参数包含相机内参、外参以及畸变系数。
进一步地，所述在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部设置特征图像，包括：
在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部喷涂特征图像；
或者，在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部粘贴特征图像；
或者，在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部雕刻特征图像，其中的特征图像为黑白相间的矩阵图像。
进一步地，其中所述激光发生器被配置为单束激光发生装置。
进一步地，位姿调整装置还包括控制系统，控制系统控制与其电性连接的双目相机、激光发生器、位置敏感探测器和调整机构；
所述位置敏感探测器的探测区域的长宽不小于调整机构对应的调整行程，以减少脱靶概率。
进一步地，该方法应用于含有盘绕式伸展臂的微小卫星。
本发明实施例提供的一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法，微小卫星上的姿态调整装置，预先已经设置好，该位姿调整装置包括双目相机、激光发生器、位置敏感探测器和调整机构，调整机构具有六个调整自由度；能够通过双目相机与激光发生器、位置敏感探测器的单束激光相配合的方式完成盘绕式伸展臂位姿的粗调与精调，使其满足空间望远镜的高精度特定要求位姿；同时在此基础上，所采用的单束激光探测，相比现有的技术，无需求解全部六自由度位姿，成本低、所需设备条件相对简单，也不需要多个激光发生装置、反射镜等设备的协同配合；因此，该方法既可以弥补视觉测量结果指导调整关键位姿精度不足的缺陷，又可以避免激光高精测量脱靶的不利影响且简化激光部件所用设备，使完成空间望远镜特定要求的空间盘绕式伸展臂位姿调整更为精确与可靠。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法流程简图；
图2为本发明实施例中含盘绕式伸展臂的微小卫星示意图；
图3为本发明实施例中特征图像的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法流程图；
图5为本发明实施例提供的一种配置位姿调整装置的流程图。
附图中标记：1-双目相机；2-单束激光发生装置；3-位置敏感探测器；4-六自由度调整机构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图5所示，在一个实施例中，图1为本发明实施例提供的一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法流程简图；图2为本发明实施例中含盘绕式伸展臂的微小卫星示意图；图3为本发明实施例中特征图像的结构示意图； 图4为本发明实施例提供的一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法流程图； 图5为本发明实施例提供的一种配置位姿调整装置的流程图；
本实施例中，以该方法应用在含有盘绕式伸展臂的微小卫星为例，在图2中，该微小卫星由级联的卫星平台、盘绕式伸展臂（或称空间盘绕式伸展臂）和末端有效载荷（如透镜）组成，与透镜搭配的望远镜设置在卫星平台上；可以理解的是，卫星平台、盘绕式伸展臂和末端有效载荷，均是本领域的公知常识，在此不再详述；
如图4所示，一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法，可包括以下步骤S100-S500：
S100、对已配置好的位姿调整装置进行初始化，该位姿调整装置包括双目相机1、激光发生器、位置敏感探测器3和调整机构；
本步骤中，进行初始化有：利用张正友标定法对双目相机1进行标定，得到双目相机1的相机内参、外参以及畸变系数。
一个场景中，已配置好的位姿调整装置中，调整机构配备为六自由度调整机构3，其安装在空间盘绕式伸展臂底端，采用H-811.I2/I2V 六轴小型六足位移台，其控制器为C-887.52x 控制器。双目相机1采用640*360分辨率的 QR-720P2CAM 双目相机，激光发生器采用单束激光发生装置2，位置敏感探测器3采用昊量光电2D PSD位置敏感探测器。整个位姿调整装置的控制系统采用 STM32F429IGT6 微控制器，STM32F429IGT6微控制器与其他器件之间采用电性连接。
S200、根据双目相机1进行特征识别匹配的结果解算出盘绕式伸展臂的当前位姿，得到盘绕式伸展臂的位姿偏移值；
其中对特征识别匹配结果的解算，主要可通过预设的处理程序在STM32F429IGT6微控制器中实现；
S300、根据所述位姿偏移值控制调整机构进行盘绕式伸展臂位姿的初步调整，使盘绕式伸展臂位姿回到第二位姿状态，该第二位姿状态趋近于盘绕式伸展臂的初始位姿状态，同时，使激光发生器回到位置敏感探测器3的探测区域内；
S400、获取位置敏感探测器3识别激光发生器产生的激光点而得到的该激光点的二维位置坐标及距离，解算得粗调后盘绕式伸展臂的平动偏移值；
S500、根据得到的平动偏移值，控制调整机构进行盘绕式伸展臂位姿的调整，完成精调。
在一个实施例中，如图5所示，在对已配置好的位姿调整装置进行初始化的步骤前，所述方法还包括：配置位姿调整装置；具体包含有步骤S010-S040；
S010、将激光发生器安装在盘绕式伸展臂顶盘底部且与顶盘平面垂直；
S020、将位置敏感探测器3安装在激光发生器下方的卫星平台表面，位置敏感探测器3的中心在激光发生器的激光光路上；
S030、在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部设置特征图像，并在特征图像下方的卫星平台上安装双目相机1；
S040、在盘绕式伸展臂底部安装调整机构，该调整机构具有六个调整自由度。
更具体的，激光发生采用单束激光发生装置2，其垂直安装于盘绕式伸展臂顶盘的底部，位置敏感探测器3安装在单束激光发生装置2下方的卫星平台表面，其中心在单束激光发生装置2的轴线即激光光路上。在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部喷涂如图3所示的特征图像，同样地，在盘绕式伸展臂另一侧的卫星平台即在特征图像下方的卫星平台上安装双目相机1。
在一个示例中，当盘绕式伸展臂经过压缩收拢再次在空间释放展开时，其顶盘的位姿相较初始标定的标准位姿在六个自由度上均会发生一定的改变。为使其恢复能够满足光学测量要求的标准位姿，也即：盘绕式伸展臂的初始位姿状态。为此，将利用以下步骤进行调整；
通过双目相机1的两个相机同时对于特征图像进行拍摄，对两个相机采集到的原始图像进行校正，使校正后的两张图像位于同一平面且互相平行，即图像的每行像素之间共线。然后对所拍摄的两张图片进行角点特征提取并进行立体特征匹配，进一步求解出当前状态下盘绕式伸展臂的六自由度位姿数据。可利用成熟的OpenCV算法实现这一过程。
将以上过程得到的六个自由度的位姿数据与标准姿态下的位姿数据分别作差即可得到六自由度调整机构4沿各个方向角度需要的作动量，由六自由度调整机构4基于双目视觉测量结果进行六个自由度的初步调整，完成空间盘绕式伸展臂的位姿粗调。
本示例中，完成空间盘绕式伸展臂的位姿粗调后，此时的位姿状态视为第二位姿状态，第二位姿状态趋近于盘绕式伸展臂的初始位姿状态（即光学测量要求的标准位姿）。
上述，由于双目视觉指导的初步调整，单束激光发生装置2产生的激光必定会回到位置敏感探测器3的探测区域内而避免处于脱靶状态，盘绕式伸展臂的位姿已基本回到标准位姿附近，且顶盘发生的绕X轴、Y轴、Z轴的扭转补偿精度基本满足要求。但是由于空间望远镜的空间光学测量对于焦距以及光轴在焦平面的落点位置更严格的要求，此时任务要求由六个自由度的调整将转变为三个平动自由度的更精确调整；
在一个示例中，更精确调整的步骤有：
规定Z轴正方向为垂直于卫星平台平面指向盘绕式伸展臂顶盘，打开单束激光发生装置2，使其激光点落在位置敏感探测器3上，记录单束激光发生装置2打开至位置敏感探测器3接收到激光信号的时间t，即可得出激光发生源与位置敏感探测器3之间的距离d1=v*t，其中v为真空中的光速。由于单束激光发生装置2与盘绕式伸展臂顶盘垂直，激光光路与空间望远镜光路平行。且顶盘经过粗调与卫星平台平行，单束激光发生装置2与望远镜镜头之间的Z方向距离为盘绕式伸展臂顶盘的厚度h，则此时六自由度调整机构4需要沿Z轴负方向作动的距离为，其中d0为空间望远镜的焦距。若z计算为负值，则沿Z轴正向作动。其中激光发生源在单束激光发生装置2中的位置可预先标定。
同时通过位置敏感探测器3得到此时激光点在位置敏感探测器3上的位置坐标（x1, y1），则六自由度调整机构4需要沿位置敏感探测器3规定的X轴负向作动的距离为，若x计算为负值，则沿X轴正向作动；六自由度调整机构4需要沿位置敏感探测器3规定的Y轴负向作动的距离为/>，若y计算为负值，则沿Y轴正向作动。其中（x0, y0）为位置敏感探测器3自身中点位置坐标。经过以上步骤即可实现满足空间光学测量的盘绕式伸展臂的位姿精调。
在一个实施例中，所述在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部设置特征图像，包括：
在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部喷涂特征图像；
或者，在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部粘贴特征图像；
或者，在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部雕刻特征图像，其中的特征图像为黑白相间的矩阵图像，如图3所示。
本实施例的一个示例中，一般的在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部喷涂黑白相间的矩阵图像，形成特征图像。
本实施例的一个示例中，也可在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部粘贴特征图像。
本实施例的一个示例中，在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部雕刻特征图像。上述特征图像的设置方式可以按需选择。
在一个实施例中，位姿调整装置还包括控制系统，控制系统控制与其电性连接的双目相机1、激光发生器、位置敏感探测器3和调整机构；
所述位置敏感探测器3的探测区域的长宽不小于调整机构对应的调整行程。
需要说明的是，六自由度调整机构4安装在空间盘绕式伸展臂底端，采用H-811.I2/I2V 六轴小型六足位移台，其控制器为 C-887.52x 控制器，为现有技术。双目相机1采用 640*360 分辨率的 QR-720P2CAM 双目相机，位置敏感探测器3采用昊量光电2D PSD位置敏感探测器，控制系统被配置为微控制器，采用STM32F429IGT6微控制器，STM32F429IGT6微控制器与双目相机1、激光发生器、位置敏感探测器3和六自由度调整机构4之间采用电性连接，上述各部件也可以采用其他具有相同功能的不同类型产品，本示例在此不再赘述。
本实施例提供了一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法，该方法能够弥补视觉测量结果指导调整关键位姿精度不足的缺陷，又可以避免激光高精测量脱靶的不利影响且简化激光部件所用设备，使完成空间望远镜特定要求的空间盘绕式伸展臂位姿调整更为精确与可靠；本发明实施例以含盘绕式伸展臂的微小卫星为对象，提出的调整方法适用性强、成本较低、结构简单且计算量较小，在工程上易于实现。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种空间盘绕式伸展臂粗调与精调相结合的位姿调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
对已配置好的位姿调整装置进行初始化，该位姿调整装置包括双目相机、激光发生器、位置敏感探测器和调整机构；
根据双目相机进行特征识别匹配的结果解算出盘绕式伸展臂的当前位姿，得到盘绕式伸展臂的位姿偏移值；
根据所述位姿偏移值控制调整机构进行盘绕式伸展臂位姿的初步调整，使盘绕式伸展臂位姿回到第二位姿状态，该第二位姿状态趋近于盘绕式伸展臂的初始位姿状态，同时，使激光发生器回到位置敏感探测器的探测区域内；
获取位置敏感探测器识别激光发生器产生的激光点而得到的该激光点的二维位置坐标及距离，解算得粗调后盘绕式伸展臂的平动偏移值；
根据得到的平动偏移值，控制调整机构进行盘绕式伸展臂位姿的调整，完成精调。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对已配置好的位姿调整装置进行初始化的步骤前，所述方法还包括：
配置位姿调整装置；具体包含有：
将激光发生器安装在盘绕式伸展臂顶盘底部且与顶盘平面垂直；
将位置敏感探测器安装在激光发生器下方的卫星平台表面，位置敏感探测器的中心在激光发生器的激光光路上；
在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部设置特征图像，并在特征图像下方的卫星平台上安装双目相机；
在盘绕式伸展臂底部安装调整机构，该调整机构具有六个调整自由度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述对已配置好的位姿调整装置进行初始化的步骤，至少包括：
基于已配置好的位姿调整装置，标定双目相机的相机参数。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部设置特征图像，包括：
在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部喷涂特征图像；
或者，在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部粘贴特征图像；
或者，在盘绕式伸展臂顶盘另一侧的底部雕刻特征图像，其中的特征图像为黑白相间的矩阵图像。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述激光发生器被配置为单束激光发生装置。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，位姿调整装置还包括控制系统，控制系统控制与其电性连接的双目相机、激光发生器、位置敏感探测器和调整机构。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法应用于含有盘绕式伸展臂的微小卫星。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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