[发明专利]自旋稳定空间飞行器转动运动参数的摄像测量方法

权利要求书

1.一种自旋稳定空间飞行器转动运动参数的摄像测量方法，其特征在于，在追踪飞行器上设置由两台摄像机构成的追踪星上双目摄像测量系统，在追踪飞行器接近目标飞行器的过程中实时对目标飞行器成像，并通过特征点提取、匹配算法，实时测量目标表面特征点的位置和速度，通过自旋稳定空间飞行器转轴参数测量，计算出目标飞行器的角速度大小和方向，

具体过程如下：

1.1 将2台摄像机间隔一段距离安装在追踪飞行器测量平台上，同时标定摄像机内参，在测量过程中追踪飞行器位置、速度和姿态已知；

1.2 对目标飞行器进行实时跟拍，得到2台摄像机分别对目标所成的像；

1.3 分别在同一时刻摄像测量系统所成的2幅图像上提取特征点，并将2幅图像中相同的特征点进行匹配；

1.4 通过双目交会测量的方法得到每个特征点在世界坐标系中的位置坐标和速度矢；

1.5将同一时刻观测得到的目标表面多个特征点位置坐标和速度矢量带入由刚体运动学基本理论推导出来的方程组，用最小二乘方法解此方程组得到目标飞行器的角速度大小和方向，解算时用多个时刻的数据联立方程组以及多次测量取均值的方法来提高精度。

2.根据权利要求1所述的自旋稳定空间飞行器转动运动参数的摄像测量方法，其特征在于，所述特征点提取、匹配方法具体步骤如下：

    1）计算各个像素点的Robert梯度

    为该像素点沿45°方向的梯度值，为该像素点沿135°方向的梯度值；

2）计算窗口中各像素的协方差矩阵

    矩阵为的逆；

3）计算兴趣值与

为每个像素点对应误差椭圆的圆度，为像素点权值，和分别为的行列式和迹，为的迹；

4）确定待选点

根据图像质量和具体应用的实际情况选取兴趣值和的阈值；

5）选取极值点

选定窗口内具有最大的兴趣值的像素点作为特征点。

3.根据权利要求1所述的自旋稳定空间飞行器转动运动参数的摄像测量方法，其特征在于，所述追踪星上双目摄像测量系统构成方式是：

摄像机对待测点的成像用投影矩阵来表示，待测点在世界坐标系中的坐标为，在摄像机坐标系中的坐标为，在图像坐标系中的坐标为，摄像机的主点为，等效焦距为，旋转矩阵为，平移向量为，则投影矩阵为：

这样，图像坐标系中的像点与世界坐标系中的目标点的成像关系可以用投影矩阵表示为：

可以将展开成一个的矩阵，即

成像关系可以用方程组来表示

设在第台摄像机中修正像差后的像点为，摄像机的投影矩阵为，可以列出如下线性方程组：

一台摄像机可列出由2个方程组成的方程组，2台摄像机可列出4个方程，方程组中一共有3个未知数，采用最小二乘方法求解上述方程组得到待测点在世界坐标系中的坐标。

4.根据权利要求1所述的自旋稳定空间飞行器转动运动参数的摄像测量方法，其特征在于，所述自旋稳定空间飞行器转轴参数测量方法是：

根据刚体运动学基础理论，刚体上点的运动分解为随刚体质心的平动与绕质心的转动，目标飞行器表面特征点在世界坐标系中的位置坐标为，速度矢量为，目标飞行器质心在世界坐标系中的位置坐标为，质心平动速度矢量为，目标绕质心的转动矢量为，其中目标表面特征点的位置坐标和速度矢量是通过摄像测量方法得到的，目标质心的位置坐标、平动速度矢量和转动速度矢量是未知量；

目标飞行器表面特征点的速度表示为

将上式展开成矩阵形式为

对上式进行移项处理，得到如下形式

观察上式，发现等式右边只包含了目标飞行器质心的位置坐标、平动速度矢量和转动速度矢量，与特征点在目标飞行器上的具体位置无关，用来表示，方程组简化成如下形式

（*）

方程组中共有6个未知数，目标飞行器表面上的每个特征点列出3个方程，在目标飞行器表面提取2个或以上特征点就能解算得到目标飞行器的自旋角速度大小和转轴方向，为了提高解算精度，在解算时一般都用目标表面多个特征点的观测数据通过最小二乘方法进行求解，解得，即得到了目标飞行器自旋轴在世界坐标系的方向和自旋角速度大小。