[发明专利]一种空间目标相对导航视觉测量系统在轨自标定方法

说明书

一种空间目标相对导航视觉测量系统在轨自标定方法，首先基于针孔相机模型建立空间目标相对导航视觉测量系统模型；然后通过图像序列中一组对应图像中识别的共同特征点得到空间目标相对导航视觉测量系统内外参数的表达式；进一步通过旋转矩阵的特性得到内外参数表达式的理想约束方程；最后构造理想约束方程的误差函数作为目标函数，通过具有计算速度快的特点的粒子群算法优化初步获得部分空间目标相对导航视觉测量系统参数，再基于空间目标相对导航视觉测量系统内外参数表达式进一步优化获取其余全部参数，形成一套空间目标相对导航视觉测量系统在轨自标定方法。

技术领域

本发明涉及一种空间目标相对导航视觉测量系统在轨自标定方法，针对空间目标相对导航视觉测量系统在轨工作过程，用于相对导航视觉测量系统的内外参数在轨自主标定。

背景技术

随着航天技术的飞速发展，空间飞行器的结构、组成日趋复杂，性能、技术水平不断提高，越来越多的航天器提出了在复杂的空间环境中更加持久、稳定、高质量地在轨运行的需求，空间在轨服务技术成为目前航天技术领域亟待解决的重要问题。

在轨服务航天器近距离接近段，需要凭借相对导航系统全面检测和估计相对运动状态。由于基于视觉的相对导航测量系统综合了非接触、速度快、体积小、重量轻、寿命长和可靠性高等优点，成为近距离逼近操作任务中相对导航的重要手段之一，而相机的参数标定环节是空间目标相对导航的首要环节。标定过程就是确定相机的几何和光学参数，相机相对于世界坐标系的方位。传统标定方法需要使用经过精密加工的标定块,通过建立标定块上三维坐标已知的点与其图像点间的对应,来计算相机的内外参数。该方法的优点在于可以获得较高的精度,但标定过程费时费力,不适用于在线标定和不可能使用标定块的场合。基于主动视觉的标定方法需要控制相机做某些特殊运动,如绕光心旋转或纯平移等,利用这种运动的特殊性可以计算出内参数。该方法的优点是算法简单,往往能获得线性解,缺点是不能适用于相机运动未知或无法控制的场合。

对空间任务应用环境而言，视觉测量系统存在入轨后空间环境导致相机参数变化、航天器在轨无法人为参与标定、长期在轨的相机参数退化、空间任务主动视觉可靠性低等问题，因此对视觉测量系统提出了自主、灵活与实用性要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间目标相对导航视觉测量系统在轨自标定方法。通过图像序列中共同特征点对应关系与旋转矩阵特性建立的理想约束方程获取目标优化函数，进一步基于粒子群算法优化的获得空间目标相对导航视觉测量系统参数，形成一套空间目标相对导航视觉测量系统在轨自标定方法。

本发明的技术方案是：一种空间目标相对导航视觉测量系统在轨自标定方法，步骤如下：

(1)建立相机1坐标系和相机2坐标系，并建立空间目标相对导航视觉测量系统模型；

(2)在相机1、相机2拍摄的到图像序列中的一组对应图像中，对同一特征点对应的两图像点，得到空间目标相对导航视觉测量系统内外参数的表达式；

(3)通过旋转矩阵的特性得到内外参数表达式的理想约束方程；

(4)构造理想约束方程的误差函数作为目标函数，通过粒子群算法优化初步获得空间目标相对导航视觉测量系统的部分参数，构造目标函数，以n个点对使得目标函数取得最小值为优化目标，通过粒子群算法优化得到相机内外的部分参数；

(5)基于空间目标相对导航视觉测量系统内外参数表达式，获取坐标变换矩阵的值；取对应目标上同一特征点的相互匹配的图像点对，得到两图像点坐标基于旋转矩阵变换方程；

(6)基于旋转矩阵约束方程获取部分参数，进一步基于旋转矩阵变换方程获取旋转矩阵R，在轨实现以上参数的求解，并且求解方程都依据图像序列完成，即实现了在轨自标定。

所述步骤(1)中建立相机1坐标系和相机2坐标系的具体过程为：