專利名稱：一種用于交會對接的ccd測量方法
技術領域：
本發明涉及交會對接技術，具體涉及一種用于交會對接的CCD測量方法。
背景技術：
在交會對接過程中，在追蹤飛行器與目標飛行器的最終逼近階段，需精確控制兩個飛行器之間的相對位置、相對姿態和相對速度， 以達到精確的對接要求，獲得柔性對接條件，從而使交會對接過程中的碰撞沖擊力最小化。計算機視覺系統是通過圖形成像方式實現對目標的跟蹤測量，其利用安裝在追蹤飛行器上的CCD照相機跟蹤安裝在目標飛行器上的一組標記，并將標記成像在CXD照相機上，基于在圖像坐標系下的位置以及光學成像原理和幾何約束條件，建立圖像坐標與目標的位置、姿態之間的關系，從而提供離散的位置、姿態估計值，供交會對接使用。然而，現有的計算機視覺系統盡管可用于交會對接中兩飛行器的相對位置、相對姿態和相對速度的測量，實現兩飛行器的交會對接，但是，它必須采用兩臺攝像機同時拍攝視場圖像，并對兩幅圖像進行配準，且圖像配準過程需進行相當復雜的計算，在測量的實時性和精確性方面難于同時保證。
發明內容
鑒于此，本發明提供了一種用于交會對接的CXD測量方法，能夠在保證精確性的前提下，實時地確定兩飛行器的相對位置、相對姿態和相對速度。本發明的用于交會對接的CXD測量方法包括，有益效果本發明公開了一種用于交會對接的CCD測量方法，利用CCD照相機將目標飛行器的標記點記錄并定位在坐標系中，當推廣到三個標記點的情形時，通過建立測量坐標系、像平面坐標系和CXD坐標系導出了目標飛行器在測量坐標系中的位置坐標、姿態矩陣和三個姿態角，從而確定目標飛行器和追蹤飛行器的相對位置、相對姿態和相對速度，為兩者的交會對接提供了精確的數據。與現有的利用計算機視覺系統進行交會對接的技術相比，本發明的方法實現過程簡單，運算量小，響應速度快，適合應用于對精確性和實時性均要求較高的交會對接場合。
圖I為目標飛行器上的對接口和標記燈的位置示意圖。圖2為追蹤飛行器上的對接口和CXD照相機的位置示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖并舉實施例，對本發明的用于交會對接的CCD測量方法進行詳細描述。I、建立雙C⑶測量系統
圖I所示為目標飛行器上的對接口和標記燈的位置，位于等腰三角形三個頂點處的圓表示用于指示交會對接的標記燈，等腰三角形內的大圓表示目標飛行器的對接口，三個標記燈所在的平面與對接口表面平行。由于三個標記燈不構成等邊三角形，因此三個標記燈的相對位置可唯一地確定目標飛行器的對接口的姿態(即目標飛行器對接口相對于追蹤飛行器對接口的滾動角、俯仰角和方位角)。圖I中以大圓上面的十字線標識目標飛行器對接口的姿態，十字線的交點與大圓的圓心重合。為了使追蹤飛行器實現與如圖I所示的目標飛行器交會對接的目的，本發明建立了一種雙CCD測量系統，其含有兩臺CCD照相機，圖2所示為追蹤飛行器的對接口和兩臺CCD照相機的位置，本發明采用雙針孔形CCD照相機成像，針孔形CCD照相機剛性安裝在追蹤飛行器上，以矩形框表示。兩臺CXD照相機((XDl和(XD2)中間的大圓表示追蹤飛行器的對接口，其上的十字線的交點與大圓的圓心重合，CCDl和CCD2所在的平面與對接口表面 平行，CCDl和CCD2的中心均位于十字線所在平面內，且水平像素線與十字線的橫線平行。基于所述雙CXD測量系統，構造以下坐標系以追蹤飛行器對接口上的十字線構造一坐標系，十字線的橫線和縱線分別為X軸和I軸，Z軸與X軸和y軸構成右手系，將其稱為“測量坐標系”。在CXD照相機的像平面上構造一坐標系，與水平像素線和垂直像素線平行的直線作為此坐標系的X軸和y軸，像平面的中點為此坐標系的原點，將其稱為“像平面坐標系”。本發明含有兩臺C⑶照相機，因此有兩個像平面坐標系。以CXD照相機的焦點為原點構造一坐標系，與水平像素線和垂直像素線平行的直線作為此坐標系的X軸和I軸，Z軸與X軸和y軸構成右手系,如此的坐標系稱為“(XD坐標系”。本發明含有兩臺CCD照相機，因此有兩個CCD坐標系。$2、確定目標飛行器對接口的位置根據CXD照相機的成像原理，由某一點在CXD照相機中的圖像可得到CXD照相機像平面的中點到該點的直線方程；根據小孔成像原理，以目標飛行器上任一點A為例，若經測量得到點A在像平面坐標系中的坐標為(m，η)，且在CXD坐標系中的坐標為(x，y, z)，則有
ml X nl V二Γ = —，了 =丄(1 )
f Z f Z式中f為CXD照相機的焦距，I為像素長度。因此在像平面坐標系中，像平面的中點(即原點)與點A的連線的直線方程為^ = = |，方向向量為(ml，nl，f)。在圖2實施例中，含有兩臺CXD照相機，經測量得到的目標飛行器上任一點B在兩個像平面坐標系中的坐標分別為Oi^n1)和(m/，n/ )，則兩個像平面坐標系的原點與點B的連線的方向向量分別為(Hi1Ln1IJ)和(in/ l，n/ I, f) ^CCDl和CCD2到測量坐標系原點的距離均為d，因此在測量坐標系中CXDl和(XD2的坐標分別為(-d，O, O)和(d，O, O)。
因此，在測量坐標系中,(XDl的像平面坐標系的原點到點B的連線的方程為—= = _7 5
M1I II1I J
(XD2的像平面坐標系的原點到點B的連線的方程為一f = = 由上兩式可構成以下
//Z1 / N1 I J方程組
權利要求
1.一種用于交會對接的CCD測量方法，其特征在于，包括 步驟1，建立雙CXD測量系統，其中兩臺CXD照相機等距離安裝于追蹤對接口的兩側； 步驟2，確定目標對接口相對于追蹤對接口的位置，包括； ①基于雙CCD測量系統的測量結果，確定用于指示交會對接的三個標記燈相對于追蹤對接口的位置；其中，以所述三個標記燈為頂點的三角形為等腰三角形，且目標對接口位于所述等腰三角形的高線上；以及 ②根據所述三個標記燈相對于追蹤對接口的位置以及目標對接口與所述三個標記燈的相對位置，確定目標對接口相對于追蹤對接口的位置； 步驟3，確定目標對接口相對于追蹤對接口的姿態； 步驟4，根據兩不同時刻下的目標對接口相對于追蹤對接口的位置之差以及所述兩不同時刻之間的時間間隔確定目標對接口相對于追蹤對接口的運動速度；以及 步驟5，基于所述目標對接口相對于追蹤對接口的位置、所述目標對接口相對于追蹤對接口的姿態和所述目標對接口相對于追蹤對接口的運動速度，進行目標對接口和追蹤對接口的交會對接。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟3的確定目標對接口相對于追蹤對接口的姿態即確定目標對接口相對于追蹤對接口的滾動角爐、俯仰角Θ和方位角Ψ，包括 ①計算向量
全文摘要
本發明公開了一種用于交會對接的CCD測量方法，利用兩臺CCD照相機對目標飛行器上的標記燈進行成像，進而確定標記燈的位置，通過目標飛行器標記燈和對接口的相對位置關系確定追蹤飛行器對接口和目標飛行器對接口的相對位置、相對姿態和相對速度。本發明公開的方法思路巧妙，運算簡單，能夠對兩臺CCD照相機的測量結果快速響應，而無需經過復雜的大量計算，因而能夠提高追蹤飛行器對接口和目標飛行器對接口的交會對接的精確性和實時性。
文檔編號G01C21/00GK102706329SQ20121017541
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月31日 優先權日2012年5月31日
發明者安凱, 王飛飛 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一三研究所