[发明专利]一种用于目标抓捕的机械臂相对导航方法

说明书

本发明公开了一种用于目标抓捕的机械臂相对导航方法，来测量卫星模型上推力器喷嘴的位置。两个相机被用来采集推力器图像并定位推力器的三维位置。在初始时刻手动选择推力器后，从原始图像中截取了一个局部区域图像。在局部区域图像中，采用Canny检测算法来获取边缘图像，同时，采用Hough变换来检测图像中的圆特征。进一步采用曲线拟合方法去确定推力器喷嘴中心点的位置。当末端执行器接近到距离目标0.1米时，在该距离保持对目标跟踪并计算推力器轨迹模型。根据轨迹模型，可以预估推力器位置并完成对目标抓捕。

技术领域

本发明涉及机器人视觉测量技术领域，尤其涉及一种用于目标抓捕的机械臂相对导航方法，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

卫星在轨服务意义在于卫星燃料加注、寿命延长，空间碎片搜集，以及卫星维修等。空间机器人在在轨维护方面起到非常重要作用，而卫星抓捕是在轨服务的关键步骤。在卫星在轨操作过程中，服务航天器接近目标卫星到2米距离。然后通过机械臂自主抓捕目标卫星，并将目标卫星与服务航天器进行对接。

在过去几年中，卫星抓捕技术在多个空间任务中进行了试验验证。2007年美国DARPA主导的OrbitalExpress项目验证了交会、接近，对接和服务技术，其中包括肼燃料，电池和飞行计算机部件的转移和更换。该演示验证项目包括两颗卫星，即ASTRO和NextSat/CSC.ASTRO是作为追踪航天器，而NextSat/CSC是作为目标航天器。在该任务中，AVGS基于激光的跟踪系统被用于测量目标的姿态、视线和距离信息。AVGS系统是一个依赖装载目标星上的角反射器进行工作的自主对接传感器。此外，DARPA发起了FREND项目去验证自主非合作抓捕航天器的能力。FREND项目开发并演示了一个空间机械臂系统，该系统自身具有GNC设备，末端执行器和相关算法。EEVS(末端执行器视觉系统)被用于引导机械臂到预定抓捕点，并定位手指去完成抓捕。EEVS使用3个可见光相机，这些相机被装在机械臂的末端。在2011年DARPA发起了凤凰计划项目，该项目目的是从地球同步轨道中开发回收和重复使用废弃卫星部件，并演示验证构建一个新的低成本空间系统的能力。凤凰计划的关键技术之一是通过抓捕废弃非合作卫星来实现交会和对接操作。目前，凤凰计划已对LiDAR激光系统和其他光学传感器在在轨回收任务中的性能进行了地面试验。

显而易见的是：目前大多数在轨卫星没有设计为具有在轨被服务的功能，也就是说，没有传感器或可视标志器可用来辅助在轨抓捕。因此，需要采用一种基于视觉的定位系统来跟踪目标卫星表面的几何特征，实现追踪星到目标星之间相对位置的确定。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供了一种用于目标抓捕的机械臂相对导航方法，实现更快的识别速度和更高的识别成功率。

本发明的技术解决方案是：一种用于目标抓捕的机械臂相对导航方法，包括如下步骤：

(1)、采用双目相机对目标进行测量，获取左、右两个相机拍摄的目标图像，对目标图像进行畸变校正；

(2)、在校正后的左、右两个相机拍摄的目标图像中提取目标边缘，得到左、右边缘二元图像，并根据目标外形特征，从左、右边缘二元图像中，分别提取左、右两个相机图像中的目标轮廓；

(3)、分别对左、右两个相机图像中的目标轮廓，进行曲线拟合，获取目标轮廓曲线，根据目标轮廓曲线计算得到轮廓中心点在左、右两个拍摄的目标图像中的二维坐标；

(4)、根据轮廓中心点在左、右两个拍摄的目标图像中的二维坐标，计算轮廓中心点在双目相机坐标系下的三维坐标；

(5)、将轮廓中心点在双目相机坐标系下的三维坐标作为机械臂导航信息，控制机械臂实时跟踪目标，直到目标与机械臂的距离小于双目相机测量最小作用距离之后，进入步骤(6)；