用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器的制造方法

用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器的制造方法
【專利摘要】用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器，屬于空間飛行器的視覺導航技術領域。本發明是為了解決視覺導航敏感器的現有動態測試方法存在的試驗成本高及誤差標定過程復雜的問題。它包括高頻紅外激光器、光學系統、光源探測器光纖支架、光源探測器光纖、圖像輸出器、直線位移機構、光學平臺、支架、控制器和動力學計算機，動態模擬器與動力學計算機和視覺導航敏感器以快裝方式構成閉環系統，用于飛行控制半物理仿真試驗驗證；控制器從動力學計算機接收飛行器的6個自由度數據，經過數據處理和控制系統計算得到目標在視覺導航敏感器上的坐標，利用映射關系模型得到目標在動態模擬器圖像輸出器上的坐標。本發明用于空間視覺導航敏感器的視覺導航。
【專利說明】
用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器
技術領域
[0001] 本發明涉及用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器，屬于空間飛行器的視覺導航
技術領域。
【背景技術】
[0002] 視覺導航敏感器是實現空間復雜操作的關鍵裝置。在空間飛行器交會對接、飛行 器抓捕、停泊和維修等空間任務中，需要使用視覺導航敏感器對飛行器本體或其執行機構， 如機械臂等進行導航和控制。
[0003] 由于視覺導航敏感器研制難度大，測量精度要求高，對空間光環境要求高，工作時 間長，所以在視覺導航敏感器正式執行飛行任務前要對其進行充分的地面測試和驗證。
[0004] 視覺導航敏感器是空間飛行器與目標相對位置和姿態的測量單元，也是飛行控制 系統的反饋單元。視覺導航敏感器動態模擬器可以為視覺導航敏感器提供動態激勵源，使 飛行控制系統可以完成閉環仿真測試和驗證。
[0005] 視覺導航敏感器是空間飛行器或空間飛行器搭載的執行機構在與目標處于逼近 階段的全過程中對目標的相對位置和姿態進行測量的一類光學敏感器。對視覺導航敏感器 的功能和性能的測試和驗證的方式有三種，分別是靜態測試驗證、半物理仿真測試驗證和 全物理仿真測試驗證。靜態測試驗證只能在若干個別工況條件下對視覺導航敏感器進行測 試驗證，不能實現動態性能測試驗證，也不能和動力學計算機構成閉環仿真測試系統。使用 9自由度轉臺和12自由度氣浮臺可以對視覺導航敏感器進行動態測試，但試驗準備時間長， 需要對轉臺的執行誤差進行標定，試驗過程中誤差來源復雜，試驗成本高。

【發明內容】

[0006] 本發明目的是為了解決視覺導航敏感器的現有動態測試方法存在的試驗成本高 及誤差標定過程復雜的問題，提供了一種用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器。
[0007] 本發明所述用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器，它包括高頻紅外激光器、光 學系統、光源探測器光纖支架、光源探測器光纖、圖像輸出器、直線位移機構、光學平臺、支 架、控制器和動力學計算機，
[0008] 直線位移機構和支架均設置在光學平臺上，支架用于固定視覺導航敏感器;高頻 紅外激光器、光學系統、光源探測器光纖支架、光源探測器光纖和圖像輸出器均設置于直線 位移機構上；光源探測器光纖支架用于固定光源探測器光纖，光源探測器光纖支架位于光 學系統輸出端的前端，光源探測器光纖支架的軸線與光學系統的軸線重合;高頻紅外激光 器用于為圖像輸出器提供成像照明；視覺導航敏感器的主光軸與光學系統的主光軸相對 應，動力學計算機和控制器通過通信接口連接；
[0009] 控制器包括敏感器照明光源探測器，該敏感器照明光源探測器通過光源探測器光 纖檢測視覺導航敏感器內部光源的啟動與關閉；
[0010] 動態模擬器啟動階段，圖像輸出器未被照明時，控制器接收動力學計算機輸出的 目標飛行器的模擬6自由度信息Di，并進行計算獲得目標飛行器在視覺導航敏感器像平面 上的坐標，再通過映射關系模型得到目標飛行器在圖像輸出器上的坐標;控制器再根據計 算獲得的目標飛行器在圖像輸出器上的坐標生成目標飛行器圖像，并在圖像輸出器上顯 示;控制器通過光源探測器光纖檢測獲得視覺導航敏感器內部光源的啟動時刻，同時控制 高頻紅外激光器啟動照明，使高頻紅外激光器輸出的光束經過勻化后照射在圖像輸出器 上，光束經圖像輸出器反射后經過光學系統產生平行光束并在視覺導航敏感器像平面上成 像，控制器同時控制圖像輸出器顯示目標飛行器圖像的時間，實現圖像輸出器的有效圖像 輸出與視覺導航敏感器內部光源的照明同步;然后，視覺導航敏感器對圖像輸出器的反射 光束實時生成圖像，并對該生成圖像進行計算，獲得目標飛行器的實時6自由度信息D。，動 力學計算機將模擬6自由度信息Di和實時6自由度信息D。進行比較，通過計算二者的偏差評 價視覺導航敏感器的功能，并在連續工作中對視覺導航敏感器的動態性能進行測試;最后， 控制器再通過光源探測器光纖檢測視覺導航敏感器內部光源的關閉時刻，控制高頻紅外激 光器關閉照明。
[0011]所述光學系統在直線位移機構上的出瞳位置，根據視覺導航敏感器對圖像輸出器 首次成像的圖像細節銳度評價函數返回值進行調節。
[0012]所述映射關系模型的獲得方法為：圖像輸出器依次輸出三幅校正圖像，視覺導航 敏感器依次對三幅校正圖像進行成像獲得三幅對照圖像，控制器根據三幅校正圖像與三幅 對照圖像之間的關系，建立映射關系模型。
[0013] 建立映射關系模型的具體方法為：
[0014] 首先，圖像輸出器輸出1階正向映射圖像/災作為第一幅校正圖像，視覺導航敏感 器對1階正向映射圖像if成像，獲得1階正向映射對照圖像1聲，采用最大相關法匹配目標， 計算從1階正向映射圖像到1階正向映射對照圖像/丨 1]對應目標質心之間的比例位移關系 和旋轉關系；
[0015] 其次，圖像輸出器輸出5階正向映射圖像作為第二幅校正圖像，該5階正向映 射圖像為17X17個矩形目標點圖像，視覺導航敏感器對5階正向映射圖像&+)成像，獲 得5階正向映射對照圖像/f 5+)，用所述的比例位移關系和旋轉關系引導5階正向映射圖像 /{)5+>和5階正向映射對照圖像步 +)上目標點的一一對應關系，計算從5階正向映射圖像/公+) 到5階正向映射對照圖像/丨5+)上對應目標質心之間的5階多項式正向映射模型；
[0016] 最后，圖像輸出器輸出5階反向映射圖像/gd作為第三幅校正圖像，該5階反向映 射圖像為51X51個矩形目標點圖像，視覺導航敏感器對5階反向映射圖像成像，獲 得5階反向映射對照圖像淡用所述5階多項式正向映射模型引導5階反向映射圖像/gA 和5階反向映射對照圖像上目標點的一一對應關系，計算從5階反向映射對照圖像 到5階反向映射圖像/公^上對應目標質心之間的5階多項式反向映射模型；該5階多項式反 向映射模型作為所述映射關系模型。
[0017]視覺導航敏感器的主光軸與光學系統的主光軸安裝夾角偏差小于3°，位置偏差小 于 5mm〇
[0018] 本發明的優點:本發明用于空間飛行器的視覺導航敏感器功能和動態性能試驗驗 證，它與動力學計算機和視覺導航敏感器以快裝方式構成閉環系統，用于飛行控制半物理 仿真試驗驗證。控制器從動力學計算機接收飛行器的6個自由度數據，經過數據處理和控制 系統計算得到目標在視覺導航敏感器上的坐標，利用映射關系模型得到目標在動態模擬器 圖像輸出器上的坐標。使用多邊形逼近方法生成具有子像素精度的圓形點目標，圓形目標 質心位置精度達到〇.〇1像素。光源探測器光纖通過對視覺敏感器主動光源檢測，控制圖像 輸出器圖像輸出的時刻和持續的時間，使動態模擬器輸出圖像與視覺導航敏感器成像時刻 同步。本發明能夠滿足主動照明成像式視覺導航敏感器研制中全過程、全條件、全自動的試 驗和驗證的需要，對視覺導航敏感器研制具有廣泛的應用前景。
[0019] 本發明以快裝方式構建對視覺導航敏感器的試驗驗證環境，并與飛行控制系統構 成閉環測試環境。本發明的動態模擬器可以自動校正安裝誤差，能夠有效降低視覺導航敏 感器的動態測試試驗成本，對視覺導航敏感器的研制具有應用意義。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明所述用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器的結構示意圖；
[0021 ]圖2是光學系統的結構示意圖；
[0022] 圖3是視覺導航敏感器內部光源的電路結構示意圖；
[0023] 圖4是圖像輸出器輸出的1階正向映射圖像；
[0024]圖5是視覺導航敏感器對1階正向映射圖像成像，獲得的1階正向映射對照圖像； [0025]圖6是圖像輸出器輸出的5階正向映射圖像；
[0026]圖7是視覺導航敏感器對5階正向映射圖像成像，獲得的5階正向映射對照圖像；
[0027] 圖8是圖像輸出器輸出的5階反向映射圖像；
[0028] 圖9是是視覺導航敏感器對5階反向映射圖像成像，獲得的5階反向映射對照圖像；
[0029] 圖10是目標飛行器成像后像素的亮度示意圖；
[0030]圖11是表1中序號1的內點和外點示意圖；
[0031] 圖12是表1中序號2的內點和外點示意圖；
[0032] 圖13是表1中序號3的內點和外點示意圖；
[0033] 圖14是表1中序號4的內點和外點示意圖；
[0034] 圖15是表1中序號5的內點和外點示意圖；
[0035] 圖16是表1中序號6的內點和外點示意圖；
[0036] 圖17是表1中序號7的內點和外點示意圖；
[0037] 圖18是表1中序號8的內點和外點示意圖；
[0038] 圖19是表1中序號9的內點和外點示意圖；
[0039] 圖20是表1中序號10的內點和外點示意圖；
[0040] 圖21是表1中序號11的內點和外點示意圖；
[0041] 圖22是表1中序號12的內點和外點示意圖。
【具體實施方式】
[0042]
【具體實施方式】一:下面結合圖1至圖10說明本實施方式，本實施方式所述用于空間 視覺導航敏感器的動態模擬器，它包括高頻紅外激光器1、光學系統2、光源探測器光纖支架 3、光源探測器光纖4、圖像輸出器5、直線位移機構6、光學平臺7、支架8、控制器10和動力學 計算機11，
[0043] 直線位移機構6和支架8均設置在光學平臺7上，支架8用于固定視覺導航敏感器9; 高頻紅外激光器1、光學系統2、光源探測器光纖支架3、光源探測器光纖4和圖像輸出器5均 設置于直線位移機構6上;光源探測器光纖支架3用于固定光源探測器光纖4,光源探測器光 纖支架3位于光學系統2輸出端的前端，光源探測器光纖支架3的軸線與光學系統2的軸線重 合;高頻紅外激光器1用于為圖像輸出器5提供成像照明；視覺導航敏感器9的主光軸與光學 系統2的主光軸相對應，動力學計算機11和控制器10通過通信接口連接；
[0044] 控制器10包括敏感器照明光源探測器，該敏感器照明光源探測器通過光源探測器 光纖4檢測視覺導航敏感器9內部光源的啟動與關閉；
[0045] 動態模擬器啟動階段，圖像輸出器5未被照明時，控制器10接收動力學計算機11輸 出的目標飛行器的模擬6自由度信息Di，并進行計算獲得目標飛行器在視覺導航敏感器9像 平面上的坐標，再通過映射關系模型得到目標飛行器在圖像輸出器5上的坐標;控制器10再 根據計算獲得的目標飛行器在圖像輸出器5上的坐標生成目標飛行器圖像，并在圖像輸出 器5上顯示，因為此時圖像輸出器5未被照明，生成的圖像不能被視覺導航敏感器9拍攝，控 制器10需要控制其內部的照明光源探測器檢測視覺導航敏感器9內部光源的啟動時刻;控 制器10通過光源探測器光纖4檢測獲得視覺導航敏感器9內部光源的啟動時刻，同時控制高 頻紅外激光器1啟動照明，使高頻紅外激光器1輸出的光束經過勻化后照射在圖像輸出器5 上，光束經圖像輸出器5反射后經過光學系統2產生平行光束并在視覺導航敏感器9像平面 上成像，控制器10同時控制圖像輸出器5顯示目標飛行器圖像的時間，實現圖像輸出器5的 有效圖像輸出與視覺導航敏感器9內部光源的照明同步;然后，視覺導航敏感器9對圖像輸 出器5的反射光束實時生成圖像，并對該生成圖像進行計算，獲得目標飛行器的實時6自由 度信息D。，動力學計算機11將模擬6自由度信息Di和實時6自由度信息D。進行比較，通過計算 二者的偏差評價視覺導航敏感器9的功能，并在連續工作中對視覺導航敏感器9的動態性能 進行測試;最后，控制器10再通過光源探測器光纖4檢測視覺導航敏感器9內部光源的關閉 時刻，控制高頻紅外激光器1關閉照明。
[0046] 所述光學系統2在直線位移機構6上的出瞳位置，根據視覺導航敏感器9對圖像輸 出器5首次成像的圖像細節銳度評價函數返回值進行調節。
[0047]所述映射關系模型的獲得方法為：圖像輸出器5依次輸出三幅校正圖像，視覺導航 敏感器9依次對三幅校正圖像進行成像獲得三幅對照圖像，控制器10根據三幅校正圖像與 三幅對照圖像之間的關系，建立映射關系模型。
[0048] 建立映射關系模型的具體方法為:它采用分層次、多項式建模方法，
[0049] 首先，圖像輸出器5輸出1階正向映射圖像if作為第一幅校正圖像，該1階正向映 射圖像為具有4個特定形狀的目標圖像，如圖4所示，視覺導航敏感器9對1階正向映射圖像 設成像，獲得1階正向映射對照圖像/丨 1),如圖5所示，采用最大相關法匹配目標，計算從1階 正向映射圖像/以到1階正向映射對照圖像艱〉對應目標質心之間的比例位移關系和旋轉關 系;所述比例位移關系為一階正向映射模型；
[0050]其次，圖像輸出器5輸出5階正向映射圖像/{fM乍為第二幅校正圖像，該5階正向映 射圖像/公+)為17X17個矩形目標點圖像，如圖6所示，視覺導航敏感器9對5階正向映射圖像 /1> 5+)成像，獲得5階正向映射對照圖像如圖7所示，用所述的比例位移關系和旋轉關系 引導5階正向映射圖像/g +)和5階正向映射對照圖像上目標點的一一對應關系，計算從 5階正向映射圖像到5階正向映射對照圖像//5+)上對應目標質心之間的5階多項式正向 映射模型;該5階多項式正向映射模型包含位移、比例、旋轉和畸變關系。
[0051 ]最后，圖像輸出器5輸出5階反向映射圖像/)廣;作為第三幅校正圖像，該5階反向映 射圖像為51X51個矩形目標點圖像，如圖8所示，視覺導航敏感器9對5階反向映射圖像 成像，獲得5階反向映射對照圖像//54,用所述5階多項式正向映射模型引導5階反向映 射圖像/公^和5階反向映射對照圖像/f 5^上目標點的一一對應關系，計算從5階反向映射對 照圖像到5階反向映射圖像上對應目標質心之間的5階多項式反向映射模型，所述 5階多項式反向映射模型包含位移、比例、旋轉和畸變關系;該5階多項式反向映射模型作為 所述映射關系模型。在視覺導航敏感器像平面上衡量，5階多項式反向映射模型建立的從 /f 5_)到在5_)上目標點質心位置偏差小于〇. 3個像素。
[0052]視覺導航敏感器9的主光軸與光學系統2的主光軸安裝夾角偏差小于3°，位置偏差 小于5mm 〇
[0053]本發明中，視覺導航敏感器9是被測對象，視覺導航敏感器9與光學系統2的主光軸 不必須重合。控制器10內部包括工控機、圖像輸出器驅動器，高頻紅外激光器控制器、高頻 紅外激光器驅動器、視覺導航敏感器照明光源探測器，工控機與動力學計算機11通過通信 接口連接。視覺導航敏感器照明探測器輸出電平直接觸發高頻紅外激光器控制器。
[0054]光學系統2采用卡塞格林結構，如圖2所示，它包括照明系統12、分光系統13、反射 式顯示器件14和平行光生成鏡片組。光學系統2的視場角半角16°，光源探測器光纖支架3不 會對光學系統2的輸出光造成明顯遮擋。
[0055] 使用光源探測器光纖4將視覺導航敏感器的光源導出至控制器10內部的敏感器照 明光源探測器。控制器10根據視覺導航敏感器9內部光源的啟動和關閉使圖像輸出器5與視 覺導航敏感器9對目標的積分同步。
[0056]圖像輸出器5的圖像在反射式顯示器件14上顯示，即使在反射式顯示器件14上有 圖像顯示，但只有動態模擬器的照明系統向反射式顯示器件14提供照明，動態模擬器才能 向視覺導航敏感器11輸出圖像。
[0057] 動態模擬器的照明系統包括:高頻紅外激光器1、激光光源控制器15、激光光源驅 動器16和照明系統12。激光光源控制器15通過對視覺導航敏感器光源探測器17輸出信號的 檢測來控制高頻紅外激光器1的啟動和關閉，響應時間小于2us。
[0058] 控制器10接收到動力學計算機發來的目標飛行器的6自由度數據，結合視覺導航 敏感器的內參數，根據小孔成像模型得到目標點在視覺導航敏感器像平面上的坐標，利用5 階多項式反向映射模型得到目標在反射式顯示器件14上的目標的質心位置，控制器10在該 位置輸出圖像。圖像輸出器5可以為空間光調制器。
[0059]本發明中快裝方式為:將動態模擬器整體安裝在直線位移機構上，將視覺導航敏 感器安裝在動態模擬器對面的支架上。動態模擬器在其控制和數據處理主機控制下在圖像 顯示器件上顯示1階正向映射圖像，并啟動動態模擬器的照明裝置輸出圖像。視覺導航模擬 器對動態模擬器輸出圖像成像，視覺導航敏感器將拍攝的圖像發送給動力學計算機。動態 模擬器通過網絡接口一一TCP通信協議接收動力學計算機轉發的圖像。動態模擬器控制和 數據處理主機對視覺導航敏感器圖像的清晰度進行評價。評價方法為計算圖像的方差。調 節直線位移機構的手柄控制動態模擬器與視覺導航敏感器之間的距離，使圖像的方差取得 最大值，然后鎖定直線位移機構。在調節動態模擬器位置過程中，不需要關注圖像的旋轉、 比例和畸變。這些因素將在安裝誤差校正過程中得到補償。動態模擬器安裝誤差校正方法 為:分層次目標點對應一一多項式建模一一獲得映射關系模型。其誤差成分包括：
[0060] 1)光學系統2主光軸與視覺導航敏感器主光軸不重合誤差；
[0061] 2)圖像輸出器5顯示平面與視覺導航敏感器成像平面之間的旋轉誤差；
[0062] 3)圖像輸出器5圖像分辨率與視覺導航敏感器成像的分辨率差別；
[0063] 4)動態模擬器和視覺導航敏感器兩光學系統的畸變誤差。
[0064] 其中1)和2)構成動態模擬器和視覺導航敏感器兩坐標系之間的旋轉和位移關系， 3)為比例關系，4)為非線性關系。
[0065] 本發明使用多項式建立從視覺導航敏感器成像平面到動態模擬器圖像輸出器之 間的映射關系，即反向映射模型，當控制器通過通信接口接收到動力學計算機發來的6自由 度信息后，利用小孔成像模型得到目標飛行器在視覺導航敏感器成像平面上的目標質心坐 標，利用反向映射模型，得到目標質心在圖像輸出器顯示平面上的坐標，生成并輸出圖像， 動態模擬器拍攝圖像，計算6自由度，從而實現對視覺導航敏感器功能和動態性能的測試驗 證，以及構成閉環仿真測試驗證環境。
[0066] a)從視覺導航敏感器成像平面到圖像輸出器5之間的映射關系表示為：
[0067] 卜''/(、外）
[0068] 其中（Xv，yv)為視覺導航敏感器成像平面上像素坐標，（XD，yD)為在圖像輸出器5上 與(1￥，7￥)對應的像素點坐標，即(\，，*>'「）0(^〇，>^). 11多項式函數1￥ = ；^化^)和7￥ = 8(1〇， yD)具有相似的形式： ?^r = f^D，yD) = ^D +k2xDlyD+A +kp__xxDynDl +kpyl + kp+lXDl +kp+2XD~)；D +A +kq-lXDynD2 + +A +
[0069] KX^Ky，kt , (1) JV = +/2〇D +A + lp+-iXD ' + lp+2XD ~}'d '+ Ky〇1 + A + lrXIJ + +A：
[0070] 其中，Kf=[ki，k2, A，kP-i，kP，kP+i, A，kq-i，kq，A，kr，ks，kt]1^PIKg=[li，l2, A，lp-i， 1P，1P+1, A A，11，13，11;]1分別為叉￥ = ；^(叉。，7。）和7￥ =區(叉。，7。）的參數。
[0071] b)為估計參數K#PKg，首先需要在視覺導航敏感器拍攝的圖像Iv上的像素點（xv， yv)和動態模擬器在圖像輸出器5上生成的圖像Id上的像素點(XD，yD)之間建立映射關系。
[0072] c)為保證點對應(和,具)〇(%:，％)的可靠性，發明了分層次匹配方法。分別在動 態模擬器生成目標形狀和數量不同的輸出圖像，視覺導航敏感器對動態模擬器的輸出圖像 成像。
[0073] (i)首先在圖像輸出器5上輸出1階正向映射圖像視覺導航敏感器對其成像， 得圖像/尸。圖像由四個形狀差別明顯的目標組成，它們的質心分別記為的= 1，2,3,4,其中過目標1和3質心的直線與圖像坐標系水平方向的夾角為0°，過目標2和4 質心的直線與圖像坐標系水平方向的夾角為90°。在/^中的目標具有相似幾何形狀，用 模版匹配的最大相關搜索目標并計算目標的質心位置，分別記為在圖像 中，過目標1和3的直線與圖像水平方向的夾角0為動態模擬器和視覺導航敏感器兩光學 系統在滾動軸方向上的安裝偏差。將圖像反方向旋轉9角，目標點的質心坐標為： 1 "1「cos# - sin y.、
[0074] 1 =. R, p = f (2)
[0075] 在叱')#)和之間建立點對應關系，用線性模型得到圖像輸出器5 輸出平面和視覺導航敏感器成像平面之間的比例和位移關系，即用4個點對應構成的8個方 程組成的線性方程組估計以下模型的6個參數。
[0076] ^ 1 ^ 2'八 3 (3)
[0077] 參數ki，ljP0并不能表現從圖像輸出器5圖像輸出平面到視覺導航敏感器成像平 面之間射影變換的全部關系，其作用是在使用更多點對應建立精確模型時，對點匹配進行 粗略引導，以保證點對應的準確性。
[0078] (ii)在圖像輸出器5上輸出5階正向映射圖像視覺導航敏感器對其成像/f5+)s 圖像由17 X 17個矩形目標組成，目標之間的距離較大，以防止1階和旋轉模型的殘差導 致點對應匹配錯誤。在45+)中目標的質心位置用的 5+氣，17X17表示。用上 述方法3和2得到圖像輸出器5上目標在視覺導航敏感器成像平面上對應目標的位置估計， 在估計位置附近搜索目標并計算其質心位置，記為,17X17。用5階 多項式模型建立點對應關系。5階多項式形如式1，每個方程有25個待估計參數，共50個參 數，上述方法用289個點共578個方程構成線性方程組，來估計這50個參數。
[0079] (iii)在圖像輸出器5上輸出5階反向映射圖像視覺導航敏感器對其成像 //5一>。圖像由51 X 51個矩形目標組成，目標之間的距離較小，全面覆蓋視覺導航敏感器 成像區域，上述正向映射模型可以保證將點對應匹配引導到視覺導航敏感器成像平面的較 準確位置，不會發生錯誤匹配。在松->中目標的質心位置用(xgW,)位-. W)),? = 1，2,L ,f51Xf51 表示。用上述方法3和2得到圖像輸出器5上目標在視覺導航敏感器成像平面上對應目標的 位置估計，在估計位置附近搜索目標計算其質心位置，記為,51 X 51。用5階多項式模型建立點對應關系。5階多項式形如1，每個方程有25個待估計參數，共50 個參數，上述方法用2601個點共5202個方程構成線性方程組，估計50個參數。
[0080] (iv)控制器10根據動力學計算機發來的6自由度數據，根據小孔成像模型得到目 標在視覺導航敏感器上的坐標位置，利用上述5階反向映射模型可以得到目標在圖像輸出 器5上的坐標位置。
[0081] d)當動態模擬器和視覺導航敏感器兩光學系統初始安裝偏差角度小于5°，位移小 于5mm時，使用上述發明方法校正的精度優于0.3個像素。
[0082] e)在動態模擬器和視覺導航敏感器兩光學系統安裝完成后僅需要使用上述發明 方法進行一次安裝偏差校正。
[0083]如上所述，空間視覺導航敏感器動態模擬器圓形目標圖像生成方法為：
[0084] a)當航天器接近空間合作目標時，合作目標上的標志點一般為圓形或其他規則形 狀。
[0085] b)通過在圖像輸出器5顯示平面上生成子像素級質心位置精度的目標來實現在視 覺導航敏感器成像平面上獲得精確目標位置精度的方法：
[0086] (i)-個像元的4個頂點分別表示為ai，a2，a 3和a4,如果這4個點都在圓形目標內 部，則稱這4個點為內點。當一個像素的4個頂點都是內點時，該像素亮度區最大值255，其中 1字節表示一個像素的亮度，如附圖10所示。
[0087] (ii)在圓弧的邊緣位置處和a4中有一個，兩個或三個點為圓的內點，其余 為外點，如附圖10所示。如果一個像素的面積為Ao,目標與一個像素相交的面積為A，則該像 素的亮度為255A/A0。
[0088] (iii)因為像元的尺寸小，目標邊緣圓弧與像元相交的面積A用三角形或梯形來近 似。圓弧與像素單元相交的面積計算列于表1中。
[0089] (iv)該方法在圖像輸出器5圖像上的目標點質心位置精度優于0.001個像素。
[0090] (v)該方法也適用于生成除圓形目標以外的其他規則形狀的目標圖像。
[0091] 如上所述，動態模擬器的敏感器照明光源探測器為：通過光纖放置在視覺導航敏 感器照明光源前方，其作用是：
[0092] a)將視覺導航敏感器照明光源導出，用于對視覺導航敏感器照明光源啟動和關閉 進行檢測。
[0093] b)遮擋視覺導航敏感器照明光源，防止視覺導航敏感器照明光源發射的光線進入 動態模擬器，在動態模擬器內部經過多次折射和反射后再進入視覺導航敏感器，影響視覺 導航敏感器的成像質量。
[0094] c)用于對視覺導航敏感器照明光源檢測的光纖安裝在動態模擬器前端的支架中， 動態模擬器的光學系統為卡塞格林結構，光纖支架對動態模擬器輸出光路的遮擋面積小于 4%，不會影響視覺導航敏感器的成像質量。
[0095] d)視覺導航敏感器內部光源的電路結構如圖3所示，比較器輸出電平作為為反射 式顯示器件照明的高頻激光器控制器的觸發信號使用。
[0096]動態模擬器的控制器通過RS422與動力學計算機通信，通信帶寬為500Kb/s。動態 模擬器接收動力學計算機發來的目標的6自由數據，向動力學計算機發送視覺導航敏感器 照明光源的工作狀態。
[0097] 本發明所述的動態模擬器及能夠用于利用航天器上目標標志點導航的目標的動 態模擬，測試和驗證視覺導航敏感器的功能和在航天器接近過程中的動態性能，用于評價 視覺導航敏感器的測量精度。
[0098] 本發明可以根據任務需要用于高精度視覺測量裝置的測試和驗證，也可以用于其 他視覺導引裝置的視景仿真。
[0099]具體使用過程如下：
[0100] 1.將視覺導航敏感器固定在支架上，將動態模擬器安裝在直線位移機構上。按電 纜標識和接口標識連接動態模擬器、視覺導航敏感器和動力學計算機的電氣接口。
[0101] 2.用本發明所述方法輸出5階反向校正圖像，接收動力學計算機發來的視覺導航 敏感器拍攝的圖像，監視動態模擬器控制和數據處理主機對視覺導航敏感器成像的細節銳 度函數輸出結果，手動調節實現位移機構，使視覺導航敏感器成像的方差取得最大值。
[0102] 3.用本發明所述方法校正動態模擬器和視覺導航敏感器兩光學系統的映射關系， 得到映射關系模型
[0103] 4.保存動態模擬器和視覺導航敏感器兩光學系統的映射關系模型的參數于動態 模擬器控制和數據處理主機中。
[0104] 至此，對視覺導航敏感器測試驗證和航天器飛行控制閉環仿真測試的準備工作完 成。
[01 05] 5.加載視覺導航敏感器的內參數，包括焦距，像平面尺寸和像元尺寸等。
[0106] 6.加載動態模擬器和視覺導航敏感器兩光學系統之間映射關系模型的參數。
[0107] 7 .動態模擬器接收動力學計算機發來的目標飛行器6自由度數據，根據視覺導航 敏感器內參數計算目標在視覺導航敏感器像平面上的坐標。
[0108] 8.用本發明所述方法，使用反向映射模型將目標在視覺導航敏感器像平面上的坐 標映射到動態模擬器圖像顯示器件上的坐標。
[0109] 9.用本發明所述方法在動態模擬器圖像輸出器件上生成目標的圖像。
[0110] 10.用本發明所述方法，使動態模擬器對視覺敏感器照明裝置的啟動和關閉進行 檢測，動態模擬器的照明光源探測器根據檢測結果控制高頻紅外激光器1的啟動和關閉，使 動態模擬器的輸出圖像和視覺導航敏感器的照明和成像同步。
[0111] 11.控制器通過RS422通信接口向動力學計算機發送視覺導航敏感器照明裝置的 工作狀態。
[0112] 12.返回第6步，往復執行。
[0113] 表1
【主權項】
1. 一種用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器，其特征在于，它包括高頻紅外激光器 (1) 、光學系統（2)、光源探測器光纖支架(3)、光源探測器光纖(4)、圖像輸出器(5)、直線位 移機構(6)、光學平臺（7)、支架(8)、控制器(10)和動力學計算機(11)， 直線位移機構(6)和支架(8)均設置在光學平臺（7)上，支架(8)用于固定視覺導航敏感 器(9);高頻紅外激光器（1)、光學系統(2)、光源探測器光纖支架(3)、光源探測器光纖(4)和 圖像輸出器(5)均設置于直線位移機構（6)上;光源探測器光纖支架（3)用于固定光源探測 器光纖(4)，光源探測器光纖支架(3)位于光學系統(2)輸出端的前端，光源探測器光纖支架 (3)的軸線與光學系統(2)的軸線重合;高頻紅外激光器(1)用于為圖像輸出器巧)提供成像 照明；視覺導航敏感器(9)的主光軸與光學系統（2)的主光軸相對應，動力學計算機（11)和 控制器(10)通過通信接口連接； 控制器（10)包括敏感器照明光源探測器，該敏感器照明光源探測器通過光源探測器光 纖(4)檢測視覺導航敏感器(9)內部光源的啟動與關閉； 動態模擬器啟動階段，圖像輸出器(5)未被照明時，控制器（10)接收動力學計算機（11) 輸出的目標飛行器的模擬6自由度信息Di,并進行計算獲得目標飛行器在視覺導航敏感器 (9)像平面上的坐標，再通過映射關系模型得到目標飛行器在圖像輸出器(5)上的坐標;控 制器（10)再根據計算獲得的目標飛行器在圖像輸出器(5)上的坐標生成目標飛行器圖像， 并在圖像輸出器(5)上顯示;控制器（10)通過光源探測器光纖(4)檢測獲得視覺導航敏感器 (9)內部光源的啟動時刻，同時控制高頻紅外激光器(1)啟動照明，使高頻紅外激光器(1)輸 出的光束經過勻化后照射在圖像輸出器(5)上，光束經圖像輸出器(5)反射后經過光學系統 (2) 產生平行光束并在視覺導航敏感器(9)像平面上成像，控制器(10)同時控制圖像輸出器 (5)顯示目標飛行器圖像的時間，實現圖像輸出器(5)的有效圖像輸出與視覺導航敏感器 (9)內部光源的照明同步;然后，視覺導航敏感器(9)對圖像輸出器(5)的反射光束實時生成 圖像，并對該生成圖像進行計算，獲得目標飛行器的實時6自由度信息D。，動力學計算機 (11)將模擬6自由度信息化和實時6自由度信息D。進行比較，通過計算二者的偏差評價視覺 導航敏感器(9)的功能，并在連續工作中對視覺導航敏感器(9)的動態性能進行測試;最后， 控制器(10)再通過光源探測器光纖(4)檢測視覺導航敏感器(9)內部光源的關閉時刻，控制 高頻紅外激光器(1)關閉照明。2. 根據權利要求1所述的用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器，其特征在于，所述光 學系統(2)在直線位移機構(6)上的出瞳位置，根據視覺導航敏感器(9)對圖像輸出器巧)首 次成像的圖像細節銳度評價函數返回值進行調節。3. 根據權利要求2所述的用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器，其特征在于，所述映 射關系模型的獲得方法為：圖像輸出器(5)依次輸出=幅校正圖像，視覺導航敏感器(9)依 次對=幅校正圖像進行成像獲得=幅對照圖像，控制器（10)根據=幅校正圖像與=幅對照 圖像之間的關系，建立映射關系板型。4. 根據權利要求3所述的用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器，其特征在于，建立映 射關系模型的具體方法為： 首先，圖像輸出器(5)輸出1階正向映射圖像乍為第一幅校正圖像，視覺導航敏感器 (9)對1階正向映射圖像/)]>成像，獲得1階正向映射對照圖像/嚴，采用最大相關法匹配目 標，計算從I階正向映射圖像巧巧Ijl階正向映射對照圖像礎叫f應目標質屯、之間的比例位移 關系和旋轉關系； 其次，圖像輸出器(5)輸出5階正向映射圖像作為第二幅校正圖像，該5階正向映射 圖像為17X17個矩形目標點圖像，視覺導航敏感器(9)對5階正向映射圖像成像， 獲得5階正向映射對照圖像ifW，用所述的比例位移關系和旋轉關系引導5階正向映射圖像 /If >和5階正向映射對照圖像/pW上目標點的一一對應關系，計算從5階正向映射圖像/Ifl 至化階正向映射對照圖像/;口+>上對應目標質屯、之間的5階多項式正向映射模型； 最后，圖像輸出器(5)輸出5階反向映射圖像作為第=幅校正圖像，該5階反向映射 圖像為51 X51個矩形目標點圖像，視覺導航敏感器(9)對5階反向映射圖像媒成像， 獲得5階反向映射對照圖像，用所述5階多項式正向映射模型引導5階反向映射圖像 /1|->和5階反向映射對照圖像上目標點的一一對應關系，計算從5階反向映射對照圖像 /f5一 >到5階反向映射圖像化對應目標質屯、之間的5階多項式反向映射模型；該5階多項 式反向映射模型作為所述映射關系模型。5.根據權利要求1所述的用于空間視覺導航敏感器的動態模擬器，其特征在于，視覺導 航敏感器(9)的主光軸與光學系統(2)的主光軸安裝夾角偏差小于3°，位置偏差小于5mm。
【文檔編號】G01C25/00GK105910627SQ201610533664
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年7月8日
【發明人】劉鵬, 于丹, 趙巖, 喬德治, 趙巍, 唐降龍
【申請人】哈爾濱工業大學