具有同心圆特征的非合作目标超近距离姿态测量
【北京理工大学陈小梅副教授课题组】

        随着空间技术的发展,为执行特定的航天任务,越来越多的航天器被发射升空。这些航天器一旦损坏或失效,将成为不可控的轨道垃圾。这给其它航天器的正常运行和宇航员的人身安全造成威胁,严重影响了人类的空间活动。这类航天器没有安装合作标志器,也没有专门用于对接的装置,它们的姿轨不受控制,属于非合作目标。为确保空间活动的顺利展开,非合作目标的在轨维修成为各航天大国必须要面对的问题,而在轨维修的前提是对非合作目标的位姿测量。基于几何特征位姿的测量方法是一个研究趋势,因为其处理数据较少,算法简单,对目标的依赖性较小。常见的几何特征有太阳能帆板支架和星箭对接环,在超近距离交会对接时,目标不完全在相机视场内,故不能对目标的整体轮廓成像,而星箭对接环和发动机喷嘴尺寸大小合适,结构特征突出,可以满足超近距离成像要求。本文根据空间非合作航天器的星箭对接环和发动机喷嘴具有空间平行但不共面的同心圆位置关系,开展了相关非合作目标超近距离姿态测量模型的研究。
        北京理工大学光电学院的陈小梅副教授研究团队致力于非合作目标位姿测量算法的研究。本文在单目视觉测量算法的基础上,结合经典的圆位姿测量几何法,提出了一种基于同心圆特征的双目视觉测量算法。该算法不需要人工标记目标圆心和目标半径,通过几何关系和最小二乘法即可求出星箭对接环和发动机喷嘴的尺寸、二者圆心投影位置以及星箭对接环到发动机喷嘴的距离,该算法通过讨论三种不同位置关系下姿态角的求解,完善了模型的角度适应性问题。最后对算法作了仿真验证,仿真结果显示该算法姿态测量误差小于0.5°,即使存在一定的安装误差,姿态测量误差也能达到1°以内。由于圆面特征是一个普遍存在几何特征,基于圆特征的姿态测量在机器视觉领域有着重要作用,并且其应用领域在未来将进一步拓展,本文的算法可以应用到自动驾驶中圆形标志牌的识别与定位、工业机器人的导航等。
 


图1  XZ平面内的姿态测量模型
 
图2  YZ平面内的姿态测量模型

研究团队简介
        北京理工大学光电学院陈小梅副教授研究团队隶属于光电成像技术与系统教育部重点实验室,实验室在图像处理及其相关技术研究领域有着长期的研究和开发历史,与总参航侦局、国家卫星资源中心、国家测绘局、中国空间技术研究院等多家科研单位及用户单位建立了紧密的合作关系。团队研究方向为光电成像建模与评价,图像处理与分析,现主要从事卫星全链路成像仿真及卫星对接技术。目前研究团队有一名博士后,两名博士,五名硕士研究生在读。主持承担和参加了国家863、973、自然基金、武器装备预研基础研究、国家科技重大专项、国家重大科技基础设施建设项目等多项科研课题。已在国内外发表学术论文50多篇,专利5项,曾获国防科技进步二等奖。 

相关论文
王珂, 陈小梅, 韩旭. 具有同心圆特征的非合作目标超近距离姿态测量[J]. 光电工程, 2018, 45(8): 180126.
DOI: 10.12086/oee.2018.180126