JPH0298624A

JPH0298624A - 宇宙構造体の相対位置・姿勢検出装置

Info

Publication number: JPH0298624A
Application number: JP25126488A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Nakatani; 一郎中谷; Yoshitake Ninomiya; 二宮　敬虔; Takehiko Tanamachi; 健彦棚町
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1990-04-11
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JP2660017B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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］二衛星等の
宇宙構造体に対して他の被検出用の宇宙ザ構造体たドツ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
航行体同士のドツキングは、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、被ドツ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
デブ委ドツキングの必要性が唱え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。

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０ゝ囲の方向からの入射光した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
の点滅に変調をかけることにより、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。

（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。

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。

［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。

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。

さらに、前記被検出部を前記第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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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軸方向に対しては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
、ＴＳＩＩ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１
３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１３ｇ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（よ制御回路部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ＭＩＯはＴＳｌｌ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、ＴＳｌｌ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１
４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：ｂｅ、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、Ｔ
Ｓｌｌとのドツ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ＴＳＩＩ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［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。

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を配置するもので、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
配列したものである。すなわち、略直交する２直線の交
点を０とし、４方向をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄとし、各
光源間ＯＡ、ＯＢ。

ＱＣ，ＯＤを、 α−ＯＡ　　３：１ β−ＯＢ　　２：１ γ−ＱＣ１：３ δ−ＯＤ　　　１：２に固定した場合、Ｘ軸単位方向ベクトル、Ｙ軸車Ｘ−α
＋δ−β−γ Ｙ−α＋β−γ−δ ２−α＋β＋γ＋δ となることにより、姿勢が方向余弦行列［Ｘ、Ｙ。

Ｚ」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、その測定績々かさらに向上され
る。また、これによれば、α。

β、γ、δ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Ｘ、Ｙ。

Ｚ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
をランデフ衛星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
ツ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。

［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。

【図面の簡単な説明】

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・・・ランデフ衛星、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。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦（ｂ）第２図１０フンデフオ訂星１２光、ブト１３七−，１１部ｓ　を−１２第図ｇ。第図（ｂ）（ｃ）（ｄ）第図

Claims

【特許請求の範囲】

（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。
（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。
（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。