一种基于双目视觉的空间目标旋转状态辨识方法

摘要

本发明涉及一种基于双目视觉的空间目标旋转状态辨识方法，技术特征在于：将双目相机置于目标附近的任意位置P点，以目标上任意的两个标志点A和B为特征点，计算旋转轴的方向向量，计算标志点A和B在旋转平面上的投影，计算操作目标的旋转角度，计算旋转角速度，得到目标的旋转角速度矢量和目标的旋转轴方程辨识结果。有益效果：计算量小，辨识速度快，辨识精度高，易于实现的特点，弥补了现有方法无法辨识目标旋转轴的缺陷，能够被用来对自旋卫星、失控旋转卫星等空间目标的旋转状态进行辨识，为空间旋转目标的近距离空间操作奠定了基础，有着巨大的应用潜力。

权利要求

1.一种基于双目视觉的空间目标旋转状态的辨识方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将双目相机置于目标附近的任意位置P点，以目标上任意的两个标志点A和B为特征点，以t0时刻两点在相机坐标系中的位置向量rA0和rB0及t0+ΔT时刻两点在相机坐标系中的位置矢量rA1和rB1，计算角度量θ：若计算的|θ|＞5°且|180-θ|＞5°，转入步骤2，否则需要重新选择标志点A和B；

步骤2计算旋转轴的方向向量：若rflag·rS≥0，则旋转轴的方向向量S＝rS；

若rflag·rS＜0，则旋转轴的方向向量S＝-rS；

其中：rflag＝(rB0-rA0)×(rB1-rA1)，步骤3计算标志点A和B在旋转平面上的投影rPA0、rPA1、rPB0、rPB0：rPA0＝rA0-(rA0·S)S，rPB0＝rB0-(rB0·S)S，rPA1＝rA1-(rA1·S)S，rPB0＝rB0-(rB0·S)S；

计算投影长度比γ：

若γ≥cos(80°)＝0.174，则转入步骤4，否则需要返回步骤1，重新选择标志点A和B后重复步骤1～3；

步骤4计算目标的旋转角度

若 则转入步骤5，否则需要回到步骤1，增大观测时间ΔT后重复步骤1～4；

步骤5差分计算旋转角速度ω：计算目标旋转运动四元素如下：式中，Sx、Sy和Sz分别表示旋转轴方向向量S在三个坐标轴上的分量；

得到目标旋转矩阵R为：

步骤6计算旋转平面中心点C的坐标近似值式中： 其中，I表示3×3的单位矩阵；

步骤7：

目标的旋转角速度矢量的辨识结果为：ωS；

目标的旋转轴方程的辨识结果为： 其中：rCx、rCy和rCz分别表示旋转平面中心点C的坐标近似值 的在三个坐标轴上的分量，即

说明书

一种基于双目视觉的空间目标旋转状态辨识方法

技术领域

[0001] 本发明属于航天技术，具体涉及一种基于双目视觉的空间目标旋转状态辨识方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着航天技术的发展，空间任务日趋多样化和复杂化，对于以故障卫星维修、敌方目标监测与捕获、轨道垃圾清理等在轨服务操作的需求日益迫切，NASA、ESA等大型航天研究机构也都提出了各自在在轨服务方面的研究与实验计划，其中较为著名的有NASA的XSS计划、ESA的ROTEX计划和ROGER计划、NASDA的ETS计划等等。为了实现在轨服务的任务要求，必然就要求服务本体对服务对象进行近距离的高精度操作，另外，由于本体与操作目标之间的任何轻微碰撞都会使得任务彻底失败，损毁本体，因此在轨服务的操作过程必须避免任何形式的碰撞。

[0003] 在对三轴稳定的空间目标进行近距离操作时，只需要本体按照事先确定的安全区域限制接近目标并进行操作即可，但除了三轴稳定的操作目标外，空间中还存在着大量的非合作旋转目标，如敌方的自旋卫星、空间中无控旋转的失效卫星等，这些目标的未知旋转不仅会使得高精度操作难以实现，而且还会让本体极其容易与操作对象发生碰撞，因而极大地增加了操作过程的难度与风险，甚至会使得预定的操作方案彻底失效。考虑到在空间微重力环境下，大部分空间旋转目标的旋转角速度与旋转轴相对于操作本体，在短时间内不会发生较大变化，因此如果能够提供一种方法使得本体在进行操作之前能够获得目标的旋转轴与旋转角速度，以便重新规划本体的运动轨迹或将对于目标旋转运动的预测引入本体的运动控制回路，将大大降低空间在轨近距离操作过程的难度，具有较大的应用价值。

[0004] 近些年随着计算机视觉的发展，人们提出了很多基于双目视觉的目标状态辨识方法，但这些方法都采用在目标上选取一个中心点，通过辨识中心点的位置运动和目标围绕该点的转动描述目标在空间的平动与转动，由于无法保证所选取的中心点一定位于目标的旋转轴上，因而这些方法并不具有辨识纯旋转目标的旋转轴与旋转角速度的能力。

发明内容

[0005] 要解决的技术问题

[0006] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于双目视觉的空间目标旋转状态辨识方法，能够在双目测量的基础上精确地辨识出空间旋转目标相对操作本体的旋转轴与旋转角速度。

[0007] 技术方案

[0008] 一种基于双目视觉的空间目标旋转状态的辨识方法，其特征在于步骤如下：

[0009] 步骤1：将双目相机置于目标附近的任意位置P点，以目标上任意的两个标志点A和B为特征点，以t0时刻两点在相机坐标系中的位置向量rA0和rB0及t0+ΔT时刻两点在相机坐标系中的位置矢量rA1和rB1，计算角度量θ：

[0010]

[0011] 若计算的|θ|＞5°且|180-θ|＞5°，转入步骤2，否则需要重新选择标志点A和B；

[0012] 步骤2计算旋转轴的方向向量：

[0013] 若rflag·rS≥0，则旋转轴的方向向量S＝rS；

[0014] 若rflag·rS＜0，则旋转轴的方向向量S＝-rS；

[0015] 其中：rflag＝(rB0-rA0)×(rB1-rA1)，

[0016] 步骤3计算标志点A和B在旋转平面上的投影rPA0、rPA1、rPB0、rPB0：

[0017] rPA0＝rA0-(rA0·S)S，

[0018] rPB0＝rB0-(rB0·S)S，

[0019] rPA1＝rA1-(rA1·S)S，

[0020] rPB0＝rB0-(rB0·S)S；

[0021] 计算投影长度比γ：

[0022] 若γ≥cos(80°)＝0.174，则转入步骤4，否则需要返回步骤1，重新选择标志点A和B后重复步骤1～3；

[0023] 步骤4计算操作目标的旋转角度

[0024]

[0025] 若 则转入步骤5，否则需要回到步骤1，增大观测时间ΔT后重复步骤1～4；

[0026] 步骤5差分计算旋转角速度ω：

[0027] 计 算 目 标 旋 转 运 动 四 元 素 如 下 ：式中，Sx、Sy和Sz分别表示旋转轴方
向向量S在三个坐标轴上的分量；

[0028] 得到目标旋转矩阵R为：

[0029]

[0030] 步骤6计算旋转平面中心点C的坐标近似值

[0031]

[0032] 式中： 其中，I表示3×3的单位矩阵；

[0033] 步骤7：

[0034] 目标的旋转角速度矢量的辨识结果为：ωS；

[0035] 目标的旋转轴方程的辨识结果为： 其中：rCx、rCy和rCz分别表示旋转中心坐标近似值 的在三个坐标轴上的分量，即

[0036] 有益效果

[0037] 本发明提出的一种基于双目视觉的空间目标旋转状态辨识方法，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0038] 1、根据双目相机对于目标上两个标志点的测量结果，即可辨识出目标的旋转轴与旋转角速度，具有计算量小，辨识速度快，辨识精度高，易于实现的特点；

[0039] 2、提供了一种纯旋转目标运动状态的辨识方法，弥补了现有方法无法辨识目标旋转轴的缺陷；

[0040] 3、能够被用来对自旋卫星、失控旋转卫星等空间目标的旋转状态进行辨识，为空间旋转目标的近距离空间操作奠定了基础，有着巨大的应用潜力。

附图说明

[0041] 图1为基于双目相机的空间观测系统示意图。

具体实施方式

[0042] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

[0043] 本发明实施例解决其技术问题，所采用的技术方案为：基于双目视觉的空间目标旋转状态的辨识方法，包括如下步骤：

[0044] （1）逼近观测操作目标：

[0045] 控制安装有双目相机的操作本体逼近目标，使其在操作目标附近的P点（P点位置任意）停泊，如图1所示，在目标上选取两个标志点A和B，通过双目相机观测两个点的运动，分别给出t0时刻两点在相机坐标系中的位置向量rA0和rB0及t0+ΔT时刻两点在相机坐标系中的位置矢量rA1和rB1，计算角度量θ：

[0046]

[0047] 若|θ|＞5°且|180-θ|＞5°，则可以转入步骤2，否则需要重新选择标志点。

[0048] （2）确定旋转轴在相机坐标系中的方向向量：

[0049] 分别计算向量：

[0050] rflag＝(rB0-rA0)×(rB1-rA1)

[0051]

[0052] 若rflag·rS≥0，则旋转轴的方向向量S＝rS；

[0053] 若rflag·rS＜0，则旋转轴的方向向量S＝-rS；

[0054] （3）计算标志点在旋转平面上的投影：

[0055] rA0、rB0、rA1和rB1在旋转平面内的投影向量分别为：

[0056] rPA0＝rA0-(rA0·S)S；rPB0＝rB0-(rB0·S)S；

[0057] rPA1＝rA1-(rA1·S)S；rPB0＝rB0-(rB0·S)S；

[0058] 计算投影长度比γ：

[0059]

[0060] 若γ≥cos(80°)＝0.174，则转入步骤4，否则需要返回第一步，重新选择标志点。

[0061] （4）计算操作目标的旋转角度：

[0062] 操作目标的旋转角度 满足：

[0063]

[0064] 若 则转入步骤5，否则需要回到步骤1，增大观测时间ΔT，从而给出新的观测结果。

[0065] （5）计算旋转角速度与旋转矩阵

[0066] 操作目标的旋转角速度ω满足：

[0067]

[0068] 计算目标旋转运动四元素表示如下：

[0069]

[0070] 式中，Sx、Sy和Sz分别表示旋转轴方向向量S在三个坐标轴上的分量。

[0071] 取目标旋转矩阵R为：

[0072]

[0073] （6）计算旋转平面的旋转中心C

[0074] 根据投影点的运动及旋转平面的方程知旋转中心的位置向量满足矛盾方程组：

[0075]

[0076] 求解上面的矛盾方程，需要构造系数矩阵A与乘积矩阵b：

[0077]

[0078] 于是矛盾方程组的最小二乘解，即旋转中心的坐标的近似值为：

[0079]

[0080] （7）计算操作目标的旋转状态

[0081] 目标的旋转角速度的辨识结果为：ωS；

[0082] 目标的旋转轴的辨识结果为： （rCx、rCy和rCz分别表示旋转中心坐标近似值 的三个分量）。

[0083] 具体实施例：

[0084] （1）逼近观测操作目标：

[0085] 控制搭载有双目相机的本体逼近目标，使其在操作目标附近的P点停泊，如图1所示，在目标上选取两个标志点A和B，通过双目相机观测两个点的运动，取ΔT＝1s，给出的位置向量如下（单位：厘米）：

[0086] rA0＝(300,400,155.27864)T；rB0＝(500,200,244.72136)T

[0087] rA1＝(442.68513,310.12752,102.46599)T；

[0088] rB1＝(423.83306,162.06127,358.82704)T；

[0089] 计算角度量θ：

[0090]

[0091] 于是满足|θ|＞5°且|180-θ|＞5°，故转入步骤2。

[0092] （2）确定旋转轴在相机坐标系中的方向向量：

[0093] 分别计算向量：

[0094] rflag＝(rB0-rA0)×(rB1-rA1)＝[-38028.76,-52958.39,-33383.66]T[0095]

[0096] 由于rflag·rS＝71805.52≥0，故旋转轴的方向向量S＝rS。

[0097] （3）计算标志点在旋转平面上的投影：

[0098] rA0、rB0、rA1和rB1在旋转平面内的投影向量分别为：

[0099] rPA0＝rA0-(rA0·S)S＝[14.9071,114.9071,-129.8142]T；

[0100] rPB0＝rB0-(rB0·S)S＝[185.0928,-114.9071,-70.1857]T；

[0101] rPA1＝rA1-(rA1·S)S＝[157.5922,25.0346,-182.6269]T；

[0102] rPB0＝rB0-(rB0·S)S＝[108.9259,-152.8459,43.9199]T；

[0103] 计算投影长度比γ：

[0104]

[0105] 故转入步骤4。

[0106] （4）计算操作目标的旋转角度：

[0107] 操作目标的旋转角度 满足：

[0108]

[0109] 由于 故转入步骤5。

[0110] （5）计算旋转角速度与旋转矩阵

[0111] 操作目标的旋转角速度ω满足：

[0112]

[0113] 计算目标旋转运动四元素表示如下：

[0114]

[0115]

[0116] 式中，Sx、Sy和Sz分别表示旋转轴方向向量S在三个坐标轴上的分量。

[0117] 取目标旋转矩阵R为：

[0118]

[0119] （6）计算旋转平面的旋转中心C

[0120] 根据投影点的运动及旋转平面的方程知旋转中心的位置向量满足方程：

[0121]

[0122] 求解上面的矛盾方程，需要构造系数矩阵A与乘积矩阵b：

[0123]

[0124] 于是矛盾方程组的最小二乘解，即旋转中心的坐标的近似值为：

[0125]

[0126] （7）计算操作目标的旋转状态

[0127] 目标的旋转角速度的辨识结果为：

[0128] 目标的旋转角速度的实际值为：

[0129] 目标的旋转轴的辨识结果为：

[0130] 目标的旋转轴的实际值为：x-66.666667＝y+33.333333＝z+33.333333。

[0131] 从结果可以看出，本发明提供的方法能够实现对于纯旋转目标旋转轴与旋转角速度的辨识，并具有着较高的辨识精度。