[发明专利]一种基于视觉的绳系卫星系绳摆角测量方法

说明书

本发明公开了一种基于视觉的绳系卫星系绳摆角测量方法，步骤如下：在系绳离主星近端安放标志球；确定参考坐标系及已知物理量；通过视觉运动捕捉算法确定标志球像素坐标；利用确定像素坐标系与图像坐标系转换关系以及图像坐标系与相机坐标系关系，求解标志球相对相机坐标系的方向矢量；利用相机坐标系与主星坐标系的转换关系，得到标志球相对主星坐标系的方向矢量；利用系绳摆角来表示标志球相对于主星坐标系的方向矢量；利用已用三维坐标表示的方向矢量来反解出系绳摆角。本发明与传统的利用张力传感器测量方法相比，对于软硬件要求远远低于后者，在测量精度、范围、速度上也远胜于后者。

技术领域

本发明属于航天器测量控制技术领域，具体指代一种基于视觉的绳系卫星系绳摆角测量方法，可应用于绳系卫星系统中系绳摆角测量以及系统自身的控制。

背景技术

绳系卫星是指用系绳将两个或多个卫星连接在一起所构成的空间飞行系统，以一颗卫星(子星)通过柔性系绳连接到另外一颗质量较大的卫星(主星)构成的主星-系绳-子星系统最具代表性。该系统具有广阔的应用前景，如人工重力、轨道转移、空间碎片清理以及对地观测和深空探测。过去的数十年中，各国学者进行了大量关于空间绳系系统的理论和实验研究，并且发现系绳的稳定释放、状态保持及回收是绳系系统完成空间任务的必要条件。然而，系绳在空间中运动时会由于科氏力的影响发生不利于系统运动的振动或摆动，为了能够有效地实现对系绳的反馈控制，对系绳摆角进行高效且精确的测量显得尤为重要。目前被广泛应用的系绳摆角测量方法是使用张力传感器，但此类传感器仍然具有接触式传感器通有的弊病，相较于非接触测量方法，其维护成本高、测量速度慢、测量范围小且测量精度低。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于视觉的绳系卫星系绳摆角测量方法，以解决现有的系绳摆角测量方法中使用张力传感器带来的测量速度慢，测量范围小且测量精度低的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于视觉的绳系卫星系绳摆角测量方法，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，来估计系绳相对于主星的摆角；

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主星与标志球沿系绳方向距离；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：由于相机固定于主星，且竖直向下放置，光心所在轴与主星竖轴基本重合，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，用系绳相对于主星的摆角来表示上述步骤5中以已得到的三维坐标表示的方向矢量，反解出得到系绳摆角。

利用系绳上的标志球，能够提高视觉跟踪算法识别标志球运动的精确度，从而进一步计算出系绳摆角，完成对系绳摆角的测量。

进一步地，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，并计算该区域的颜色直方图；