[发明专利]一种基于视觉的绳系卫星系绳摆角测量方法

权利要求书

1.一种基于视觉的绳系卫星系绳摆角测量方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1：在绳系卫星系统中的主星近端系绳上安装一个标志球，来估计系绳摆角；

步骤2：将主星视作刚体，建立主星坐标系和相机坐标系，确定相机等效焦距、相机成像平面、标志球实际运动平面以及标志球与主星沿系绳方向距离；在相机成像平面建立像素坐标系和图像坐标系；

步骤3：利用视觉跟踪算法得到标志球搜索区域中心位置的像素坐标；

步骤4：根据上述的像素坐标，利用相机坐标系与图像坐标系关系且由标志球与主星沿系绳方向距离一定，得到由三维坐标表示的标志球相对于相机坐标系的方向矢量；

步骤5：利用相机坐标系与主星坐标系的坐标转换关系得到标志球相对主星坐标系的方向矢量；

步骤6：结合绳系卫星系统几何模型，用系绳摆角来表示上述步骤5中已得到的三维坐标表示的方向矢量，反解出得到系绳摆角。

2.根据权利要求1所述的基于视觉的绳系卫星系绳摆角测量方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤31：利用主星上的相机对系绳上的标志球进行图像采集；

步骤32：将采集得到的原始彩色图像转换成HSV格式，提取HSV图像中的H分量；其中，H表示色度，饱和度S表示颜色接近光谱色的程度，明度V表示颜色的明亮程度；

步骤33：选取相机成像平面中的标志球所在区域为搜索区域，并计算该搜索区域的颜色直方图；

步骤34：根据搜索区域的颜色直方图，将当前帧的捕捉图像作反向投影，得到当前帧的概率分布投影图像；

步骤35：根据概率分布投影图像中跟踪窗口大小和初始位置(x₀,y₀)，通过零阶矩：

x的一阶矩：

y的一阶矩：

计算跟踪窗口内质心：

其中，I_o(x,y)是坐标(x,y)的像素值；x和y的变化范围为跟踪窗口大小；

步骤36：重新设置跟踪窗口大小；

步骤37：重复步骤35与步骤36，直到质心收敛，并将跟踪窗口中心位置移动至质心位置；

步骤38：得到标志球搜索区域中心位置和区域大小，重新获取下一帧图像，并利用当前标志球搜索区域中心位置和区域大小转至步骤34，在新的图像帧中进行搜索。

3.根据权利要求1所述的基于视觉的绳系卫星系绳摆角测量方法，其特征在于，所述步骤4中得到标志球相对于相机坐标系的方向矢量的具体步骤为：

步骤41：获取标志球搜索区域中心位置在像素坐标系下的像素坐标为(u,v)，并将其转换到图像坐标系下，得标志球搜索区域中心位置在图像坐标系下的坐标(x_p,y_p)，

其中，(u₀,v₀)为像素坐标系的中心点位置；dx和dy分别代表每个像素在横轴与纵轴的物理尺寸；

步骤42：利用相机坐标系与图像坐标系关系得到：

其中，f为相机等效焦距；为标志球相对于相机坐标系的方向矢量；

步骤43：由标志球与主星沿系绳方向距离一定，即：

其中，l₀为标志球与主星沿系绳方向距离，联立式(5)、式(6)与式(7)得到标志球相对于相机坐标系的方向矢量：