[发明专利]一种失稳卫星星箭对接环双目测量方法

说明书

本发明公开了一种失稳卫星星箭对接环双目测量方法，该方法以星箭对接环作为图像识别和测量对象，分析了星箭对接环的外形结构特点，设计了星箭对接环识别与测量算法流程，采用灰度阈值方法来分割星箭对接环区域与背景环境，使用双阈值Canny算子来提取对接环边缘，采用Hough变换方法来提取十字力架直线轮廓，利用最小二乘方法来拟合星箭对接环轮廓，建立双目立体匹配和三维重建模型，获取星箭对接环的相对位置和相对姿态。

技术领域

本发明涉及机器人视觉测量技术领域，尤其涉及一种失稳卫星星箭对接环双目测量方法，适用于对空间故障卫星、大型碎片等空间非合作目标的抓捕操作。

背景技术

太空中有大量航天器在轨运行，承担着通信、气象、探测和导航等任务，这些航天器与我们生活密切相关，对人类社会进步和科技发展起着重要作用。航天器经过长时间运行，其器件容易老化并发生故障，同时，随着技术的进步，在轨航天器的关键部件也需要升级换代，目前只能通过发射新的航天器，替代旧的故障航天器来实现上述目标。这会导致航天成本大幅增加，降低了航天器的使用寿命，同时旧卫星上有多个部件可以正常运行，却不得不放弃掉，也造成了巨大的浪费。

针对这一问题，需要使用空间机器人对故障航天器开展在轨服务，在外太空对故障航天器开展在轨维修、模块更换、在轨加注和在轨拖离等自主操作。航天器在轨服务和维护可以有效延长在轨航天器的使用寿命，降低航天发射和运行成本，对航天事业发展具有重要意义。

空间在轨维修任务中，首先，空间机器人需要能够接近并抓捕故障航天器，使空间机器人和故障航天器构成稳定联合体，才能开展下一步在轨服务和维修操作。在空间机器人接近和抓捕故障航天器过程中，需要空间机器人能够识别故障航天器，并能够获取故障航天器的相对运动信息(相对位置、相对姿态等)。获取的相对运动信息能够引导空间机器人完成故障航天器接近和抓捕操作。轨道上的绝大多数空间待维修航天器都是无应答、无标识、无配合、甚至没有任何先验信息的“非合作目标”，这些目标由于不带有合作标识，这给目标识别相对测量带来了困难，有必要开展相关研究来解决这一问题。国内外相关机构已开展了相关研究工作，主要进展如下：

美国国防预先研究计划局(DARPA)在2009年开展了通用航天器轨道修正系统FREND项目研究。FREND项目演示了自主交会对接与捕获的综合技术在未来卫星上进行的服务，包括机器视觉系统、机器人系统、自主控制算法等关键技术的应用，项目进行了一系列的地面实验。在地面试验中，重点验证了对非合作目标卫星的机械臂自主抓捕操作，在相对测量技术方面，采用了激光扫描敏感器和多目光学相机来测量非合作目标的相对位置和姿态。

在2011年，美国国防预先研究计划局开展了凤凰计划(Phoenix Plan)项目研究，该项目主要用于演示验证在轨抓捕和更换卫星部件的能力，在该项目中采用激光雷达传感器(LiDAR)和光学相机来实现对目标卫星表面太阳帆板和大型天线等部件的识别和测量。

最近有学者提出一种基于几何特征综合匹配的双目超近距离相对位姿视觉测量方法。首先，将失效卫星的矩形太阳帆板作为几何特征，采用综合匹配方法实现了双目图像的高精度匹配，随后基于几何特征指标参数判别和ROI检测方法，实现了卫星太阳帆板特征点组的识别与提取，在此基础上，进一步建立了目标坐标系，通过三维重建完成了超近距阶段失效卫星的相对位姿高精度解算。

还有学者采用基于库模型匹配的位姿测量方法，通过航天器模型库匹配方式，来识别卫星的太阳能帆板和圆锥形星体外形，获取卫星的相对位姿信息。同时，一种线框模板匹配的位姿测量方法被提出，通过构建线框模型，将模型进行变换，来最优匹配目标，实现对目标的相对位姿测量。