[发明专利]一种空间非合作目标相对导航三维匹配估计方法

说明书

本发明提供了一种空间非合作目标相对导航三维匹配估计方法，采用双目相机观测空间非合作目标，经过立体匹配和三维重建提取点云数据，通过获得的测量数据点集与目标的模型数据点集进行配准，计算出空间非合作目标的相对位置和姿态。通过此方法，在对空间非合作目标的近距离相对导航过程中，避免了对目标具备几何特征的特殊要求，可以直接获得目标表面的三维数据，只需要知道目标的三维模型，或者在轨重建后的三维模型，算法对目标的几何外形是通用的。避免了基于特征测量方法容易在目标大范围转动过程中因产生遮挡现象而丢失目标特征的缺点，适用于在轨翻滚或自旋目标。

技术领域

本发明涉及一种空间非合作目标相对导航三维匹配估计方法，属于空间目标感知与测量技术领域。

背景技术

随着近些年计算机技术、机器人技术和传感技术的迅猛发展，以航天器在轨维护、废弃航天器清理、太空攻防等为目的的空间目标捕获技术成为了空间机器人领域的热点研究方向。根据待捕获的目标飞行器能否提供有效的合作信息，空间目标捕获技术分为合作目标捕获技术和非合作目标捕获技术两类。从目前的航天技术发展情况来看，空间合作目标的捕获技术已相对成熟，并已成功应用于一些航天器在轨维护项目，而空间非合作目标的捕获技术还不是很成熟，目前还没有国家能够实现空间非合作目标捕获的在轨演示验证。

空间非合作目标捕获技术的难点在于：如何对非合作目标进行准确的位置和姿态参数获取。目前，国内已有学者对空间非合作目标的自主识别与位姿测量问题进行了相关研究，但是问题还未能得到很好的解决。相对位姿获取方法主要有激光雷达测量和光学成像测量。光学成像测量方法的共同点是基于二维影像数据确定三维位姿信息，以其体积小、质量低、寿命长和稳定性好等优点，已成为逼近阶段航天器相对位姿获取的重要途径。目前已有的光学测量算法大多以航天器自有器件作为识别目标，如太阳翼安装支架、星箭对接环、发动机喷管等，提出了基于特征光流信息的测量方法，基于双目视觉立体匹配的测量方法，基于立体视觉和激光测量相融合的测量方法等。目前这些方法在应用中有如下局限性：

1)、特征点的选取对算法的计算稳定性和精度影响很大；

2)、视觉+激光测距的位姿测量算法虽然一定程度上提高了测距精度，但算法复杂，计算量大；

3)、基于特征目标的测量算法，在目标翻滚状态下容易丢失特征信息，即不适用于翻滚目标。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术的不足，针对翻滚或者自旋空间非合作目标的近距离相对导航问题，提供了一种空间非合作目标相对导航三维匹配估计方法。

本发明解决的技术方案为:一种空间非合作目标相对导航三维匹配估计方法，该方法步骤如下：

(1)、采用双目视觉相机对待测点的空间非合作目标进行观测，采用双目视觉立体匹配的方法，计算双目视觉相机拍摄的左图像、右图像的视差图；

(2)、根据步骤(1)计算得到的左图像、右图像的视差图，得到空间非合作目标上相应空间点在左相机摄像机坐标系下的坐标，进而对空间非合作目标进行双目视觉三维重建，提取其在卫星左相机摄像机坐标系下的三维点云数据，形成非合作目标的测量数据点集P^(m)；

(3)、将测量数据点集P^(m)和模型数据点集X^(m)进行模型匹配，以两个点集中对应点距离之和最小为优化目标，求解得到测量数据点集P^(m)到模型数据点集X^(m)的最佳旋转矩阵R^(m)和平移矩阵T^(m)，所述模型数据点集X^(m)为相对于卫星的位置和姿态是已知的；