JP2660017B2 - 宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置 - Google Patents
宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、例えば、宇宙空間において人工衛星等の
宇宙構造体に対して他の被検出用の宇宙構造体がドッキ
ングする場合等に相互の相対的な位置及び姿勢を検出す
るのに用いる宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置に関
する。
宇宙構造体に対して他の被検出用の宇宙構造体がドッキ
ングする場合等に相互の相対的な位置及び姿勢を検出す
るのに用いる宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置に関
する。
（従来の技術） 周知のように、米国のジェミニ，アポロ計画、以来宇
宙航行体同士のドッキングは、数多く実現されている
が、現状では、人間が目で確認しながら行われている。
これは、被ドッキング用のターゲット衛星（以下、TSと
記す）との相対位置・姿勢を短時間で検出することが困
難なうえ、TSの姿勢情報を基に相対位置・姿勢を検出し
たりすると、時間的に後れが生じるためである。
宙航行体同士のドッキングは、数多く実現されている
が、現状では、人間が目で確認しながら行われている。
これは、被ドッキング用のターゲット衛星（以下、TSと
記す）との相対位置・姿勢を短時間で検出することが困
難なうえ、TSの姿勢情報を基に相対位置・姿勢を検出し
たりすると、時間的に後れが生じるためである。
ところで、最近、宇宙開発においては、無人によるラ
ンデブ・ドッキングの必要性が唱えられていることによ
り、各国で各種の相対姿勢の検出方法が研究されてい
る。
ンデブ・ドッキングの必要性が唱えられていることによ
り、各国で各種の相対姿勢の検出方法が研究されてい
る。
例えば、NASA（米国航空宇宙局）では、３個のレーザ
・リフレクタを配置し、その空間的位置をレーザ・レー
ダで計測してTSとの相対位置・姿勢を検出する方法が考
えられている。
・リフレクタを配置し、その空間的位置をレーザ・レー
ダで計測してTSとの相対位置・姿勢を検出する方法が考
えられている。
しかしながら、上記相対位置・姿勢を検出する方法で
は、そのレーザ・リフレクタが限られた範囲の方向から
の入射光しか反射できないために、その測定可能範囲が
非常に狭いという問題を有する。この場合、TSの外周面
にそれぞれレーザ・リフレクタを配置して、測定範囲の
広げることも考えられるが、その各面に配置したレーザ
・リフレクタの区別が困難となる。
は、そのレーザ・リフレクタが限られた範囲の方向から
の入射光しか反射できないために、その測定可能範囲が
非常に狭いという問題を有する。この場合、TSの外周面
にそれぞれレーザ・リフレクタを配置して、測定範囲の
広げることも考えられるが、その各面に配置したレーザ
・リフレクタの区別が困難となる。
そこで、TSに光源としてLEDを配置し、このLEDの点滅
に変調にかけることにより、LEDを識別し、相対位置・
姿勢を検出する方向も考えられている。
に変調にかけることにより、LEDを識別し、相対位置・
姿勢を検出する方向も考えられている。
ところが、上記検出方法では、その構成上、LEDに変
調をかける機構が必要となるため、非常に複雑となると
いう問題を有する。
調をかける機構が必要となるため、非常に複雑となると
いう問題を有する。
（発明が解決しようとする課題） 以上述べたように、従来の宇宙航行体同士の相対位置
・姿勢を検出する方法では、高精度な検出が困難なもの
であったり、構成が複雑となるものであったり、満足の
ゆくものでなかった。
・姿勢を検出する方法では、高精度な検出が困難なもの
であったり、構成が複雑となるものであったり、満足の
ゆくものでなかった。
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、簡易
な構成で、かつ、高精度にして迅速に相対位置・相対姿
勢を検出し得るようにした宇宙構造体の相対位置・姿勢
検出装置を提供することを目的とする。
な構成で、かつ、高精度にして迅速に相対位置・相対姿
勢を検出し得るようにした宇宙構造体の相対位置・姿勢
検出装置を提供することを目的とする。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は被検出用の第１の宇宙構造体の外周面に設
けられ、交点を中心として略直角に延出される第１及び
第２の直線上に異なった間隔に配列される光源が４個以
上有する被検出部と、この被検出部に対応して検出用の
第２の宇宙構造体に設けられる前記光源を撮像する撮像
手段と、この撮像手段で撮像した光源像の間隔比を検出
して直交する２直線の単位方向ベクトルを求め、前記第
１の宇宙構造体との相対位置及び相対姿勢を算出する演
算手段とを備えて、宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装
置を構成したものである。
けられ、交点を中心として略直角に延出される第１及び
第２の直線上に異なった間隔に配列される光源が４個以
上有する被検出部と、この被検出部に対応して検出用の
第２の宇宙構造体に設けられる前記光源を撮像する撮像
手段と、この撮像手段で撮像した光源像の間隔比を検出
して直交する２直線の単位方向ベクトルを求め、前記第
１の宇宙構造体との相対位置及び相対姿勢を算出する演
算手段とを備えて、宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装
置を構成したものである。
また、前記被検出部を前記第１及び第２の直線上に配
列した複数の光源とともに該第１及び第２の直線の交点
から延出される第３の直線上に所定の間隔を有して複数
の光源を配列して構成する。
列した複数の光源とともに該第１及び第２の直線の交点
から延出される第３の直線上に所定の間隔を有して複数
の光源を配列して構成する。
さらに、前記被検出部は前記第２の宇宙構造体の撮像
手段に対向される四角錐形状の稜線上にそれぞれ複数の
光源を異なった間隔で立体的に配列して構成する。
手段に対向される四角錐形状の稜線上にそれぞれ複数の
光源を異なった間隔で立体的に配列して構成する。
（作用） 上記構成によれば、第１の宇宙構造体との相対位置及
び相対姿勢は第２の宇宙構造体の撮像手段で、被検出部
の第１及び第２の直線上に配列した光源を撮えた間隔比
が異なって配列される投影像から投射幾何学の定理によ
り、その直線の単位方向ベクトルを求めると共に、その
第１及び第２の直線を識別し、２次元的な相対位置及び
相対姿勢を検出する。従って、被検出部を第１の宇宙構
造体の外周面における複数の面に配置しても識別が可能
となる。
び相対姿勢は第２の宇宙構造体の撮像手段で、被検出部
の第１及び第２の直線上に配列した光源を撮えた間隔比
が異なって配列される投影像から投射幾何学の定理によ
り、その直線の単位方向ベクトルを求めると共に、その
第１及び第２の直線を識別し、２次元的な相対位置及び
相対姿勢を検出する。従って、被検出部を第１の宇宙構
造体の外周面における複数の面に配置しても識別が可能
となる。
また、第１及び第２の直線の交点より延出する第３の
直線上に配列した光源は、いわゆる冗長系を構成し、そ
の第１及び第２の直線上の光源が故障した場合において
も、同様に相対位置及び相対姿勢の検出が実現される。
これにより、信頼性の高い検出が実現される。
直線上に配列した光源は、いわゆる冗長系を構成し、そ
の第１及び第２の直線上の光源が故障した場合において
も、同様に相対位置及び相対姿勢の検出が実現される。
これにより、信頼性の高い検出が実現される。
さらに、四角錐形状の稜線にそれぞれ複数の光源を異
なった間隔で立体的に配列することにより、そのうち３
方向上に配列した光源により３軸の方向ベクトルが求め
られると共に、その方向が識別でき、３次元的な相対位
置及び相対姿勢が検出される。そして、１方向上に配列
した光源が故障した場合には、正常に作動する残りの３
方向の直線上に配列した光源により検出が実現される。
これにより、信頼性の高い検出が実現される。
なった間隔で立体的に配列することにより、そのうち３
方向上に配列した光源により３軸の方向ベクトルが求め
られると共に、その方向が識別でき、３次元的な相対位
置及び相対姿勢が検出される。そして、１方向上に配列
した光源が故障した場合には、正常に作動する残りの３
方向の直線上に配列した光源により検出が実現される。
これにより、信頼性の高い検出が実現される。
（実施例） 以下、この発明の実施例について、図面を参照して詳
細に説明する。
細に説明する。
第１図はこの発明の一実施例に係る宇宙構造体の相対
位置・姿勢検出装置を示すもので、例えば検出用のラン
デブ衛星10と被検出用のターゲット衛星（TS）11とに適
用した場合で説明する。
位置・姿勢検出装置を示すもので、例えば検出用のラン
デブ衛星10と被検出用のターゲット衛星（TS）11とに適
用した場合で説明する。
上記TS11の外周面にはLED等の光源12が第２図に示す
ように、X,Y,Z軸方向のいずれか２軸方向（２直線）に
それぞれ２個ずつ、例えばＸ軸方向に対しては1:1の間
隔に配列され、Ｙ軸方向に対して2:1の間隔で配列さ
れ、そのＺ軸方向に対しては1:2の間隔で配列した被検
出部が選択的に設けられる。この場合、TS11の外周面に
は必要に応じた面に上記被検出部が形成されるもので、
その各２直線の交点には光源12をも配置しなくとも各軸
の延長上の交点として求められることにより省かされ
る。例えば、一方の面にはＸ軸に対応して２個の光源12
がAB:BEが1:1の間隔で配列され、Ｙ軸に対応して２個の
光源がCD:DEが1:2に配列される。
ように、X,Y,Z軸方向のいずれか２軸方向（２直線）に
それぞれ２個ずつ、例えばＸ軸方向に対しては1:1の間
隔に配列され、Ｙ軸方向に対して2:1の間隔で配列さ
れ、そのＺ軸方向に対しては1:2の間隔で配列した被検
出部が選択的に設けられる。この場合、TS11の外周面に
は必要に応じた面に上記被検出部が形成されるもので、
その各２直線の交点には光源12をも配置しなくとも各軸
の延長上の交点として求められることにより省かされ
る。例えば、一方の面にはＸ軸に対応して２個の光源12
がAB:BEが1:1の間隔で配列され、Ｙ軸に対応して２個の
光源がCD:DEが1:2に配列される。
また、ランデブ衛星10にはCCDカメラ等の撮像部13が
配設される。この撮像部13は、例えば第３図に示すよう
に、光学系13aがバッフル13bを介して配設され、この光
学系13aにはカメラ駆動部13cを介して駆動制御される受
光部13dが接続される。そして、この撮像部13には制御
回路部14が接続され、この制御回路部14の出力端には演
算処理部15が接続される。
配設される。この撮像部13は、例えば第３図に示すよう
に、光学系13aがバッフル13bを介して配設され、この光
学系13aにはカメラ駆動部13cを介して駆動制御される受
光部13dが接続される。そして、この撮像部13には制御
回路部14が接続され、この制御回路部14の出力端には演
算処理部15が接続される。
上記構成において、ランデブ衛星10はTS11との相対位
置及び相対姿勢を検出する場合、先ず、撮像部13が制御
回路部14からのコマンド・タイミング信号により駆動制
御されて、TS11の被検出部を撮像する。すると、この撮
像部13で捕えた映像信号は制御回路部14でアナログ／デ
ジタル（A/D）変換されて画像処理され、その画像デー
タが演算処理部15に出力される。この演算処理部15は第
２図（ｂ）に示すように、入力した画像データの光源像
の間隔ab:de、cd:deの値から点列a,bとc,dがどの光源像
であるかを検知すると共に、周知の投射幾何学の定理に
より、そのa,b,eとc,d,eの２組の点列像から直線ABと直
線CDの単位方向ベクトルを求め、２次元的な相対位置及
び相対姿勢を検出する。この演算処理部15で求めた相対
位置及び相対姿勢信号は、例えば図示しない姿勢制御部
に出力され、TS11とのドッキング用制御信号に供され
る。
置及び相対姿勢を検出する場合、先ず、撮像部13が制御
回路部14からのコマンド・タイミング信号により駆動制
御されて、TS11の被検出部を撮像する。すると、この撮
像部13で捕えた映像信号は制御回路部14でアナログ／デ
ジタル（A/D）変換されて画像処理され、その画像デー
タが演算処理部15に出力される。この演算処理部15は第
２図（ｂ）に示すように、入力した画像データの光源像
の間隔ab:de、cd:deの値から点列a,bとc,dがどの光源像
であるかを検知すると共に、周知の投射幾何学の定理に
より、そのa,b,eとc,d,eの２組の点列像から直線ABと直
線CDの単位方向ベクトルを求め、２次元的な相対位置及
び相対姿勢を検出する。この演算処理部15で求めた相対
位置及び相対姿勢信号は、例えば図示しない姿勢制御部
に出力され、TS11とのドッキング用制御信号に供され
る。
このように、上記宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装
置はTS11に略直角な２直線上に異なった間隔に配列した
光源12を２個ずつ配置し、この光源12の間隔から相対位
置及び相対姿勢をするように構成したことにより、従来
より考えられていたものに比して極めて簡略された構成
で、しかも、短時間で高精度な相対位置及び相対姿勢の
検出が可能となる。
置はTS11に略直角な２直線上に異なった間隔に配列した
光源12を２個ずつ配置し、この光源12の間隔から相対位
置及び相対姿勢をするように構成したことにより、従来
より考えられていたものに比して極めて簡略された構成
で、しかも、短時間で高精度な相対位置及び相対姿勢の
検出が可能となる。
なお、上記実施例では、被検出部として２個の光源12
を略直角な２直線上に異なった間隔で配列した場合で説
明したがこれに限ることなく、例えば第４図及び第５図
に示すように被検出部を構成することも可能である。
を略直角な２直線上に異なった間隔で配列した場合で説
明したがこれに限ることなく、例えば第４図及び第５図
に示すように被検出部を構成することも可能である。
第４図は、上記２個の光源12を異なった間隔で配列し
た２直線の交点より延出される別の第３の直線上にさら
に異なった間隔で２個の光源12を配置するので、これに
よれば、第３の直線上の光源列が故障時の冗長系を構成
することととなり、信頼性の向上が図れる。
た２直線の交点より延出される別の第３の直線上にさら
に異なった間隔で２個の光源12を配置するので、これに
よれば、第３の直線上の光源列が故障時の冗長系を構成
することととなり、信頼性の向上が図れる。
第５図は、ランデブ衛星方向に四角錐形状に突出した
各稜線上の４方向にそれぞれ複数の光源を異なった間隔
で配置したものである。すなわち、略直交する２直線の
交点をＯとし、４方向をそれぞれA,B,C,Dとし、各光源
間OA,OB,OC,ODを、 ＝▲▼ 3:1 ＝▲▼ 2:1 ＝▲▼ 1:3 ＝▲▼ 1:2 に固定した場合、Ｘ軸単位方向ベクトル,Y軸単位方向ベ
クトル,Z軸単位方向ベクトルが ＝＋−− ＝＋−− ＝＋＋＋ となることにより、姿勢が方向余弦行列［，，」
で表わされるものである。これによれば、４ベクトルの
和となることによりいわゆるランダムノイズが相殺され
ることとなるため、その測定精度がさらに向上される。
また、これによれば、，，，のいずれか１ベク
トルが検出困難となった場合においても、残りの３ベク
トルで，，を求めることも可能で、信頼度の高い
ものが実現する。
各稜線上の４方向にそれぞれ複数の光源を異なった間隔
で配置したものである。すなわち、略直交する２直線の
交点をＯとし、４方向をそれぞれA,B,C,Dとし、各光源
間OA,OB,OC,ODを、 ＝▲▼ 3:1 ＝▲▼ 2:1 ＝▲▼ 1:3 ＝▲▼ 1:2 に固定した場合、Ｘ軸単位方向ベクトル,Y軸単位方向ベ
クトル,Z軸単位方向ベクトルが ＝＋−− ＝＋−− ＝＋＋＋ となることにより、姿勢が方向余弦行列［，，」
で表わされるものである。これによれば、４ベクトルの
和となることによりいわゆるランダムノイズが相殺され
ることとなるため、その測定精度がさらに向上される。
また、これによれば、，，，のいずれか１ベク
トルが検出困難となった場合においても、残りの３ベク
トルで，，を求めることも可能で、信頼度の高い
ものが実現する。
なお、上記第５図における被検出部の四角錐形状の交
点をランデブ衛星10に対して奥まった位置となるように
逆向きに配設し、その稜線上に同様に光源12を配列する
ように構成することも可能である。
点をランデブ衛星10に対して奥まった位置となるように
逆向きに配設し、その稜線上に同様に光源12を配列する
ように構成することも可能である。
さらに、上記実施例に限ることなく、人工衛星同士の
ドッキングを例にして説明したが、これに限ることな
く、第６図に示すように人工衛星20に搭載した太陽電池
パドル21に上述した被検出部を設け、この被検出部を衛
星本体に設けた撮像部22で撮像して、その相対位置及び
相対姿勢を検出するように構成することも可能である。
また、第７図に示すように、宇宙ステーション等の建設
に用いられる建築資材30に上述した被検出部を設け、例
えばマニピュレータ31との相対位置及び相対姿勢を検出
するようにして、建築作業の能率向上に用いることも可
能である。
ドッキングを例にして説明したが、これに限ることな
く、第６図に示すように人工衛星20に搭載した太陽電池
パドル21に上述した被検出部を設け、この被検出部を衛
星本体に設けた撮像部22で撮像して、その相対位置及び
相対姿勢を検出するように構成することも可能である。
また、第７図に示すように、宇宙ステーション等の建設
に用いられる建築資材30に上述した被検出部を設け、例
えばマニピュレータ31との相対位置及び相対姿勢を検出
するようにして、建築作業の能率向上に用いることも可
能である。
また、さらに上記実施例では、光源12としてLEDを用
いて構成したが、これに限ることなく、例えば光源とし
てレーザ・リフレクタを配列し、このレーザリフレクタ
で反射される反射光を撮えるように構成することも可能
である。よって、この発明は上記各実施例に限ることな
く、その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変形を実施し得ることは勿論のことである。
いて構成したが、これに限ることなく、例えば光源とし
てレーザ・リフレクタを配列し、このレーザリフレクタ
で反射される反射光を撮えるように構成することも可能
である。よって、この発明は上記各実施例に限ることな
く、その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
変形を実施し得ることは勿論のことである。
［発明の効果］ 以上詳述したように、簡易な構成で、かつ、高精度に
して迅速に相対位置・相対姿勢を検出し得るようにした
宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置を提供することが
できる。
して迅速に相対位置・相対姿勢を検出し得るようにした
宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置を提供することが
できる。
第１図はこの発明の一実施例に係る宇宙構造体の相対位
置・姿勢検出装置を示す配置図、第２図は第１図の被検
出部を示す詳細図、第３図は第１図のランデフ衛星側の
構成を示すブロック図、第４図乃至第７図はそれぞれこ
の発明の他の実施例を説明するために示した図である。 10……ランデブ衛星、11……TS、12……光源、13……撮
像部、13a……光学系、13b……バッフル、13c……カメ
ラ駆動部、13d……受光部、14……制御回路部、15……
演算処理部、20……人工衛星、21……太陽電池パネル、
22……撮像部、30……建築資材、31……マニピュレー
タ。
置・姿勢検出装置を示す配置図、第２図は第１図の被検
出部を示す詳細図、第３図は第１図のランデフ衛星側の
構成を示すブロック図、第４図乃至第７図はそれぞれこ
の発明の他の実施例を説明するために示した図である。 10……ランデブ衛星、11……TS、12……光源、13……撮
像部、13a……光学系、13b……バッフル、13c……カメ
ラ駆動部、13d……受光部、14……制御回路部、15……
演算処理部、20……人工衛星、21……太陽電池パネル、
22……撮像部、30……建築資材、31……マニピュレー
タ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 棚町 健彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝小向工場内 (56)参考文献 実開 昭55−145310（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭63−65884（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (3)
- 【請求項１】被検出用の第１の宇宙構造体の外周面に設
けられ、交点を中心として略直角に延出される第１及び
第２の直線上に異なった間隔に配列される光源が４個以
上有する被検出部と、この被検出部に対応して検出用の
第２の宇宙構造体に設けられる前記光源を撮像する撮像
手段と、この撮像手段で撮像した光源像の間隔比を検出
して直交する２直線の単位方向ベクトルを求め、前記第
１の宇宙構造体との相対位置及び相対姿勢を算出する演
算手段とを具備したことを特徴とする宇宙構造体の相対
位置・姿勢検出装置。 - 【請求項２】前記被検出部は前記第１及び第２の直線上
に配列した複数の光源とともに該第１及び第２の直線の
交点から延出される第３の直線上に所定の間隔を有して
複数の光源を配列したことを特徴とする請求項１記載の
宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置。 - 【請求項３】前記被検出部は前記第２の宇宙構造体の撮
像手段に対向される四角錐形状の稜線上にそれぞれ複数
の光源を異なった間隔で立体的に配列したことを特徴と
する請求項１記載の宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25126488A JP2660017B2 (ja) | 1988-10-05 | 1988-10-05 | 宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25126488A JP2660017B2 (ja) | 1988-10-05 | 1988-10-05 | 宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0298624A JPH0298624A (ja) | 1990-04-11 |
| JP2660017B2 true JP2660017B2 (ja) | 1997-10-08 |
Family
ID=17220194
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25126488A Expired - Lifetime JP2660017B2 (ja) | 1988-10-05 | 1988-10-05 | 宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2660017B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4326228B2 (ja) * | 2003-01-28 | 2009-09-02 | 和雄 町田 | 飛行物体の位置認識方法および位置認識システム |
| ES2340062T3 (es) * | 2006-01-19 | 2010-05-28 | Thales | Dispositivo de control de posicion(es) relativa(s) mediante analisis de señales bifrecuencia, para una nave espacial de un grupo de naves espaciales en formacion. |
| CN107024475B (zh) * | 2016-02-02 | 2020-07-28 | 意力(广州)电子科技有限公司 | 基于自动光学检测程序的触摸面板自动检测设备 |
| CN116353852B (zh) * | 2023-04-21 | 2024-08-20 | 上海国科航星量子科技有限公司 | 一种卫星对接机构及对接方法 |
-
1988
- 1988-10-05 JP JP25126488A patent/JP2660017B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0298624A (ja) | 1990-04-11 |
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