一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法技术

本发明专利技术公开了一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法，由以下步骤组成：计算出非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵、非合作目标世界坐标系到目标坐标系的位置向量，计算出非合作目标的旋转角速度叉乘阵的平均值，量测出航天器的加速度与角速度，计算出在航天器进行机动过程中非合作目标的相机虚拟旋转矩阵和相机虚拟平动，计算出航天器在机动过程中自身的真实旋转矩阵和真实相机平动，计算出航天器在机动过程中自身真实角速度叉乘阵的平均值，计算出尺度因子；得到非合作目标的三维点云模型；本发明专利技术无需对非合作目标进行绕飞，仅使用航天器平台自身传感器即可完成对非合作目标真实尺度点云建模。完成对非合作目标真实尺度点云建模。

【技术实现步骤摘要】
一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法


[0001]本专利技术属于非合作目标的点云建模领域，尤其涉及一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法。

技术介绍

[0002]随着空间环境日渐复杂、在轨服务日渐成熟，对非合作目标的在轨操作成为大量空间任务的核心，得到了广泛关注。在大多数在轨服务中，操作航天器安全、稳定地逼近任务目标是任务顺利的前提。然而，未知非合作旋转目标的逼近与抵靠却是公认的在轨服务技术难题。主要原因包括：
[0003]1.非合作目标与操作航天器之间无法建立通信链路，操作航天器需要完全依靠自身的传感器完成逼近任务，亦无法利用目标的合作标识完成逼近；
[0004]2.非合作目标的结构、尺寸等关键的先验信息往往无法提前获得；
[0005]3.非合作目标通常已经丧失稳定，处于旋转或翻滚状态，从而给目标辨识、状态估计带来难题。
[0006]虽然国内外对非合作旋转目标的逼近与抵靠过程已经开展了大量研究，取得了一定进展，但大部分研究都是基于大型航天器平台对目标进行完整绕飞，获得目标多个角度的完整状态，一般通过搭载的激光雷达等大型测距设备获取真实距离信息，为非合作目标逼近带来了便利。但是，这必将给平台的导航、制导与控制带来极大负担，同时增加了任务成本。特别是对于微小航天器，逼近与抵靠未知旋转目标的过程显然更具挑战性。一方面，微小航天器的成本、体积等约束限制了高性能传感器的搭载，激光测距雷达、毫米波雷达等主要测距手段通常难以直接搭载到微小航天器上；另一方面，微小航天器有限的燃料与机动能力使其难以进行大幅度机动，无法对目标进行大范围绕飞与建模识别。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法，以解决非合作目标点云建模需要大范围绕飞且成本高的问题。
[0008]本专利技术采用以下技术方案：一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法，由以下步骤组成：
[0009]步骤S1：
[0010]在假定非合作目标静止且航天器周期性旋转的情况下，结合SFM算法计算出非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵、非合作目标世界坐标系到目标坐标系的位置向量，
[0011]根据非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵计算出非合作目标的旋转角速度叉乘阵的平均值，
[0012]步骤S2：
[0013]驱动航天器在轨道面内进行有限的角度和位置机动，并利用航天器的惯性测量单
元量测出航天器的加速度与角速度，
[0014]利用SFM算法计算出在航天器进行机动过程中非合作目标的相机虚拟旋转矩阵和相机虚拟平动，
[0015]计算出航天器在机动过程中自身的真实旋转矩阵和真实相机平动，
[0016]计算出航天器在机动过程中自身真实角速度叉乘阵的平均值，
[0017]步骤S3：
[0018]根据惯性测量单元量测的航天器的加速度与角速度计算出尺度因子；
[0019]步骤S4：
[0020]利用尺度因子、并基于非合作目标在相对尺度下的点云模型，将点云模型中各点的坐标由视觉归一化尺度下的坐标还原为真实坐标得到非合作目标的三维点云模型。
[0021]进一步地，步骤S1中非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵非合作目标世界坐标系到目标坐标系的位置向量
W
t0的计算公式为：
[0022][0023][0024]式中，为非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵，
W
t0为非合作目标世界坐标系到目标坐标系的位置向量，I3为3
×
3单位矩阵，为SFM算法解算出的相机虚拟平动矢量；为SFM算法解算出的相机虚拟旋转运动。
[0025]进一步地，步骤S1中非合作目标的旋转角速度叉乘阵的平均值的计算公式为：
[0026][0027]进一步地，步骤S3中计算尺度因子
s
的计算公式为：
[0028][0029]其中：
W
t
c
为世界坐标系W原点O
w
到相机坐标系C原点O
c
的位移矢量；
[0030]式中：
W
x
i
为惯性测量单元测量出的本体绝对位移；表示从世界坐标系W 到相机坐标系C的旋转矩阵，为惯性测量单元传感器坐标系到视觉坐标系的旋转矩阵，
S
a
i
为惯性测量单元直接输出的加速度值；
S
b
i
为角速度计的总噪声，为引力加速度变换到选定世界坐标系的旋转矩阵；
W
g为轨道处的引力加速度，t
f
为运动过程的末时间点。
[0031]本专利技术的有益效果是：本专利技术仅利用单目相机与惯性测量单元完成非合作旋转目标的真实尺度点云建模，既可利用点云模型信息量丰富的优势，又可避免对非合作目标绕
飞带来的时间与成本，可极大辅助非合作目标逼近过程中定位与抵靠，无需对非合作目标进行绕飞，仅使用航天器平台自身传感器即可完成对非合作目标真实尺度点云建模。
具体实施方式
[0032]下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0033]须知，本说明书所描述的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
所能涵盖的范围内。
[0034]本专利技术公开了一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法，本专利技术的前提条件为：航天器与非合作目标处于同一轨道内，非合作目标呈现惯性主轴的周期性旋转状态，忽略轨道上的进动、章动与摄动；目标的整个形态全过程中均落于相机的视场内，特征点可以被相机无畸变地清晰获取与识别；整个逼近与建模过程中始终使用同一相机，所有图像均处在同一归一化尺度下；建模过程中不考虑可能落入视场内的其他卫星、地球或星光的影响；航天器上仅搭载一个普通单目相机与一个惯性测量单元(IMU)。
[0035]航天器首先处于初始状态，保持与非合作目标形心的相对静止。利用非合作目标周期性旋转的特性，以纯视觉方式完成对非合作目标的旋转状态估计。由于经典增量式运动恢复结构(Structure from Motion,SFM)方法只涉及离散图像，无需进行相机位置、轨迹等解算，因此使用SFM方法可正确地获取目标在视觉归一化尺度下的相对三维点云模型。由于驻停阶段尚未使用惯性测量单元的信息，惯性测量单元的漂移问题不会造成影响，从而允许这一阶段持续较长时间。
[0036]本专利技术使用以下坐标系：
[0037]相机坐标系C(O
c
,x
c
,y
c
,z
c
)：
[0038]原点O
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法，其特征在于，由以下步骤组成：步骤S1：在假定非合作目标静止且航天器周期性旋转的情况下，结合SFM算法计算出非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵、非合作目标世界坐标系到目标坐标系的位置向量，根据非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵计算出非合作目标的旋转角速度叉乘阵的平均值，步骤S2：驱动航天器在轨道面内进行有限的角度和位置机动，并利用航天器的惯性测量单元量测出航天器的加速度与角速度，利用SFM算法计算出在航天器进行机动过程中非合作目标的相机虚拟旋转矩阵和相机虚拟平动，计算出航天器在机动过程中自身的真实旋转矩阵和真实相机平动，计算出航天器在机动过程中自身真实角速度叉乘阵的平均值，步骤S3：根据惯性测量单元量测的航天器的加速度与角速度计算出尺度因子；步骤S4：利用尺度因子、并基于非合作目标在相对尺度下的点云模型，将点云模型中各点的坐标由视觉归一化尺度下的坐标还原为真实坐标得到非合作目标的三维点云模型。2.根据权利要求1所述的一种空间非合作旋转目标的绝对尺度三维建模方法，其特征在于，步骤S1中非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵非合作目标世界坐标系到目标坐标系的位置向量
W
t0的计算公式为：的计算公式为：式中，为非合作目标世界坐标系到目标坐标系的旋转矩阵，
W

【专利技术属性】
技术研发人员：黄攀峰，方国涛，张夷斋，刘正雄，马志强，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：