[发明专利]一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可对非合作目标的相对位置和相对姿态进行6自由度精确测量的方法。

背景技术

航天器自主交会对接任务中，对接前的几十米距离范围内，目前国际上都是借助于光学成像敏感器进行目标相对位置和姿态的测量。因此需要在目标航天器上安装标志灯或者反射器，在交会航天器上安装测量设备对其测量，通过建立目标坐标系和测量坐标系，经过标定确立它们之间的相对位置和姿态关系，以及标志点位置和各个坐标系之间的关系，再经由标志点像的提取与分布计算得出目标相对于测量坐标系的6个自由度运动参数。为了使测量系统覆盖几十米到亚米的测量范围，目前航天领域的测量技术限于对合作目标的测量，采用主动目标发生器或者被动角反射器作为合作目标，采用单目相机即可完成目标相对6个自由度的位置测量。然而，对于非合作目标，其上没有任何事先安装的标志，若要完成前述的交会对接，就不能采用某种空间分布的标志灯或者反射器之类的已知测量对象作为参考目标。对于非合作目标进行交会对接测量，为了使测量系统覆盖几十米到亚米的测量范围，目前航天在该技术领域仍在探索之中，没有很成熟的技术。

利用双目视觉测量目标特征点相对位置的原理是成熟的，如2003年4月徐刚锋在Vol.32，No.2“红外与激光工程”中发表的文章“基于双目视觉模型的运动参数测量”中，提到双目测量点目标模型，推导了误差分析公式，可见双目视觉测量的误差是由模型带来的固有误差，随着距离的增加呈平方增长关系，因此双目视觉测量基线一定的情况下，测量精度随距离迅速下降，导致双目视觉的有效作用距离受到很大限制，不能测量远距离目标。如何降低测量误差，打破双目测量误差模型中误差随距离平方增加的限制，使得远近距离的目标点测量误差都在较小的水平是双目系统扩展应用的关键问题。对于这个问题目前国内外尚无实质性的突破。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于附加视距的双目测量方法，可以在线标定视距，从而校正立体视觉计算出的位置坐标，提高测量的精度，同时可以改善测量点的跟踪稳定性。

本发明的技术解决方案是：一种基于附加视距的非合作目标贴近测量方法，步骤如下：

(1)在距离非合作目标一定距离的交会航天器的同一方向上安装至少一套双目视觉相机对和一个激光测距仪，其中激光测距仪位于双目视觉相机对的中间位置，激光测距仪的激光束出射方向处于双目视觉相机对光轴平面内两个相机光轴的夹角平分线上；

(2)利用标靶对双目视觉相机对和激光测距仪进行标定，获得激光测距仪测量坐标系和双目视觉相机对中任意一个视觉相机测量坐标系的转换关系；

(3)激光测距仪发出激光束至非合作目标，在非合作目标上形成光斑，获取激光测距仪与非合作目标之间的距离，同时利用双目视觉相机对同时对所述光斑进行成像，获取光斑在视觉相机测量坐标系中的三维坐标；

(4)利用获取的激光测距仪与非合作目标之间的距离以及步骤(2)得到的转换关系，首先对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标中距离向的坐标进行修正，然后对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标中的其余两个方向的坐标进行修正；

(5)获取非合作目标的6自由度测量量，其中三个位置坐标为步骤(4)修正的结果，三个姿态为基于三个位置修正结果的双目视觉相机对的姿态计算结果。

所述步骤(4)中对双目视觉相机对获取的光斑三维坐标进行修正的方法为：利用双目视觉相机测量激光测距仪发出的激光点的距离，并与激光测距仪输出的距离进行比较，得到距离向的校正量，然后利用距离向的校正量对其余两个方向进行校正，对于双目视觉相机对与激光光斑同时获取的其它特征点位置也采用激光光斑距离向校正量进行校正；或者采用拟合的方式，在地面进行所需范围的各距离向位置对于双目视觉测量相机的测量误差进行第一次曲线拟合，然后对第一次曲线拟合的残差再次进行拟合，完成对三维坐标的校正；或者采用拟合的方式，在空间由远及近的过程中对距离进行分段，逐步获得各段的距离数据，分段进行误差拟合，完成对三维坐标的校正。