CN102706329A - 一种用于交会对接的ccd测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于交会对接的CCD测量方法，利用两台CCD照相机对目标飞行器上的标记灯进行成像，进而确定标记灯的位置，通过目标飞行器标记灯和对接口的相对位置关系确定追踪飞行器对接口和目标飞行器对接口的相对位置、相对姿态和相对速度。本发明公开的方法思路巧妙，运算简单，能够对两台CCD照相机的测量结果快速响应，而无需经过复杂的大量计算，因而能够提高追踪飞行器对接口和目标飞行器对接口的交会对接的精确性和实时性。

Description

一种用于交会对接的CCD测量方法

技术领域

本发明涉及交会对接技术，具体涉及一种用于交会对接的CCD测量方法。

背景技术

在交会对接过程中，在追踪飞行器与目标飞行器的最终逼近阶段，需精确控制两个飞行器之间的相对位置、相对姿态和相对速度，以达到精确的对接要求，获得柔性对接条件，从而使交会对接过程中的碰撞冲击力最小化。计算机视觉***是通过图形成像方式实现对目标的跟踪测量，其利用安装在追踪飞行器上的CCD照相机跟踪安装在目标飞行器上的一组标记，并将标记成像在CCD照相机上，基于在图像坐标系下的位置以及光学成像原理和几何约束条件，建立图像坐标与目标的位置、姿态之间的关系，从而提供离散的位置、姿态估计值，供交会对接使用。然而，现有的计算机视觉***尽管可用于交会对接中两飞行器的相对位置、相对姿态和相对速度的测量，实现两飞行器的交会对接，但是，它必须采用两台摄像机同时拍摄视场图像，并对两幅图像进行配准，且图像配准过程需进行相当复杂的计算，在测量的实时性和精确性方面难于同时保证。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种用于交会对接的CCD测量方法，能够在保证精确性的前提下，实时地确定两飞行器的相对位置、相对姿态和相对速度。

本发明的用于交会对接的CCD测量方法包括，

有益效果：

本发明公开了一种用于交会对接的CCD测量方法，利用CCD照相机将目标飞行器的标记点记录并定位在坐标系中，当推广到三个标记点的情形时，通过建立测量坐标系、像平面坐标系和CCD坐标系导出了目标飞行器在测量坐标系中的位置坐标、姿态矩阵和三个姿态角，从而确定目标飞行器和追踪飞行器的相对位置、相对姿态和相对速度，为两者的交会对接提供了精确的数据。与现有的利用计算机视觉***进行交会对接的技术相比，本发明的方法实现过程简单，运算量小，响应速度快，适合应用于对精确性和实时性均要求较高的交会对接场合。

附图说明

图1为目标飞行器上的对接口和标记灯的位置示意图。

图2为追踪飞行器上的对接口和CCD照相机的位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明的用于交会对接的CCD测量方法进行详细描述。

1、建立双CCD测量***

图1所示为目标飞行器上的对接口和标记灯的位置，位于等腰三角形三个顶点处的圆表示用于指示交会对接的标记灯，等腰三角形内的大圆表示目标飞行器的对接口，三个标记灯所在的平面与对接口表面平行。由于三个标记灯不构成等边三角形，因此三个标记灯的相对位置可唯一地确定目标飞行器的对接口的姿态（即目标飞行器对接口相对于追踪飞行器对接口的滚动角、俯仰角和方位角）。图1中以大圆上面的十字线标识目标飞行器对接口的姿态，十字线的交点与大圆的圆心重合。

为了使追踪飞行器实现与如图1所示的目标飞行器交会对接的目的，本发明建立了一种双CCD测量***，其含有两台CCD照相机，图2所示为追踪飞行器的对接口和两台CCD照相机的位置，本发明采用双针孔形CCD照相机成像，针孔形CCD照相机刚性安装在追踪飞行器上，以矩形框表示。两台CCD照相机（CCD1和CCD2）中间的大圆表示追踪飞行器的对接口，其上的十字线的交点与大圆的圆心重合，CCD1和CCD2所在的平面与对接口表面平行，CCD1和CCD2的中心均位于十字线所在平面内，且水平像素线与十字线的横线平行。

基于所述双CCD测量***，构造以下坐标系：

以追踪飞行器对接口上的十字线构造一坐标系，十字线的横线和纵线分别为x轴和y轴，z轴与x轴和y轴构成右手系，将其称为“测量坐标系”。

在CCD照相机的像平面上构造一坐标系，与水平像素线和垂直像素线平行的直线作为此坐标系的x轴和y轴，像平面的中点为此坐标系的原点，将其称为“像平面坐标系”。本发明含有两台CCD照相机，因此有两个像平面坐标系。

以CCD照相机的焦点为原点构造一坐标系，与水平像素线和垂直像素线平行的直线作为此坐标系的x轴和y轴，z轴与x轴和y轴构成右手系，如此的坐标系称为“CCD坐标系”。本发明含有两台CCD照相机，因此有两个CCD坐标系。＄

2、确定目标飞行器对接口的位置

根据CCD照相机的成像原理，由某一点在CCD照相机中的图像可得到CCD照相机像平面的中点到该点的直线方程；根据小孔成像原理，以目标飞行器上任一点A为例，若经测量得到点A在像平面坐标系中的坐标为(m,n)，且在CCD坐标系中的坐标为(x,y,z)，则有：

$\frac{\mathrm{ml}}{f}=\frac{x}{z},$ $\frac{\mathrm{nl}}{f}=\frac{y}{z}---\left(1\right)$

式中f为CCD照相机的焦距，l为像素长度。因此在像平面坐标系中，像平面的中点（即原点）与点A的连线的直线方程为

方向向量为(ml,nl,f)。

在图2实施例中，含有两台CCD照相机，经测量得到的目标飞行器上任一点B在两个像平面坐标系中的坐标分别为(m₁,n₁)和(m₁′,n₁′)，则两个像平面坐标系的原点与点B的连线的方向向量分别为(m₁l,n₁l,f)和(m₁′l,n₁′l,f)；又CCD1和CCD2到测量坐标系原点的距离均为d，因此在测量坐标系中CCD1和CCD2的坐标分别为(-d,0,0)和(d,0,0)。因此，在测量坐标系中，CCD1的像平面坐标系的原点到点B的连线的方程为

CCD2的像平面坐标系的原点到点B的连线的方程为由上两式可构成以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{x+d}{m_{1}l}=\frac{y}{n_{1}l}\\ \frac{x-d}{{m_1}^{\′}l}=\frac{y}{{n_1}^{\′}l}\\ z=\frac{\mathrm{fy}}{n_{1}l}\end{array}\right.$

解该方程组可得到点B在测量坐标系中的位置坐标，为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{m_1{n_1}^{\′}+n_1{m_1}^{\′}}{m_1{n_1}^{\′}-n_1{m_1}^{\′}}d\\ y=\frac{{2n}_1{n_1}^{\′}}{m_1{n_1}^{\′}-n_1{m_1}^{\′}}d\\ z=\frac{{{2n}_1}^{\′}f/l}{m_1{n_1}^{\′}-n_1{m_1}^{\′}}d\end{array}\right.---\left(2\right)$

式（2）为目标飞行器上任一点B在测量坐标系中的位置坐标(x,y,z)。

将上述确定点B的位置坐标的过程推广到三个点的情况，以图1中的三个标记灯（即D1、D2和D3）为目标点，它们在两个像平面坐标系中的坐标为(m_i,n_i)和(m_i′，n_i′)，(i＝1,2,3)，则根据式（2）容易得到D1、D2和D3在测量坐标系中的位置坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{m_i{n_i}^{\′}+n_i{m_i}^{\′}}{m_i{n_i}^{\′}-n_i{m_i}^{\′}}d\\ y_i=\frac{{2n}_i{n_i}^{\′}}{m_i{n_i}^{\′}-n_i{m_i}^{\′}}d\\ z_i=\frac{{{2n}_i}^{\′}f/l}{m_i{n_i}^{\′}-n_i{m_i}^{\′}}d\end{array}\right.,(i=\mathrm{1,2,3})---\left(3\right)$

至此，经双CCD测量***的测量及运算，图1所示的目标飞行器上的三个标记灯D1、D2和D3的位置为已知。根据三个标记灯D1、D2和D3与目标飞行器对接口的相对位置关系能够得到该对接口的具***置。以以下相对位置为例，确定目标飞行器对接口的位置坐标：目标飞行器对接口的中心位于三个标记灯构成的等腰三角形的高线上，且对接口的中心与等腰三角形的底边的距离为三角形的高的三分之一。

首先，由标记灯D1和D2的位置坐标容易得到D1和D2的连线的中点P的位置坐标，为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_4=(\frac{m_1{n_1}^{\′}+n_1{m_1}^{\′}}{m_1{n_1}^{\′}-n_1{m_1}^{\′}}+\frac{m_2{n_2}^{\′}+n_2{m_2}^{\′}}{m_2{n_2}^{\′}-n_2{m_2}^{\′}})\frac{d}{2}\\ y_4=(\frac{n_1{n_1}^{\′}}{m_1{n_1}^{\′}-n_1{m_1}^{\′}}+\frac{n_2{n_2}^{\′}}{m_2{n_2}^{\′}-n_2{m_2}^{\′}})d\\ z_4=(\frac{{n_1}^{\′}}{m_1{n_1}^{\′}-n_1{m_1}^{\′}}+\frac{{n_2}^{\′}}{m_2{n_2}^{\′}-n_2{m_2}^{\′}})\frac{\mathrm{fd}}{l}\end{array}\right.---\left(4\right)$

由于目标飞行器对接口的中心与等腰三角形的底边的距离为三角形的高的三分之一，即对接口的中心位于点P至D3的连线的三分之一处，所以该对接口中心的位置坐标(x₀,y₀,z₀)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=x_4+\frac{x_3-x_4}{3}=\frac{{2x}_4+x_3}{3}\\ y_0=y_4+\frac{y_3-y_4}{3}=\frac{{2y}_4+y_3}{3}\\ z_0=z_4+\frac{z_3-z_4}{3}=\frac{{2z}_4+z_3}{3}\end{array}\right.---\left(5\right)$

将式（3）和（4）代入式（5）得到：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=(\frac{m_1{n_1}^{\′}+n_1{m_1}^{\′}}{m_1{n_1}^{\′}-n_1{m_1}^{\′}}+\frac{m_2{n_2}^{\′}+n_2{m_2}^{\′}}{m_2{n_2}^{\′}-n_2{m_2}^{\′}}+\frac{m_3{n_3}^{\′}+n_3{m_3}^{\′}}{m_3{n_3}^{\′}-n_3{m_3}^{\′}})\frac{d}{3}\\ y_0=(\frac{n_1{n_1}^{\′}}{m_1{n_1}^{\′}-n_1{m_1}^{\′}}+\frac{n_2{n_2}^{\′}}{m_2{n_2}^{\′}-n_2{m_2}^{\′}}+\frac{n_3{n_3}^{\′}}{m_3{n_3}^{\′}-n_3{m_3}^{\′}})\frac{2d}{3}\\ z_0=(\frac{{n_1}^{\′}}{m_1{n_1}^{\′}-n_1{m_1}^{\′}}+\frac{{n_2}^{\′}}{m_2{n_2}^{\′}-n_2{m_2}^{\′}}+\frac{{n_3}^{\′}}{m_3{n_3}^{\′}-n_3{m_3}^{\′}})\frac{2\mathrm{fd}}{3l}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式（6）确定了目标飞行器对接口的中心在测量坐标系中的位置坐标(x₀,y₀,z₀)。

3、确定目标飞行器对接口的姿态

为了实现追踪飞行器对接口和目标飞行器对接口的交会对接，除了需要确定目标飞行器对接口在测量坐标系中的位置，还需确定目标飞行器对接口在测量坐标系中的姿态，即确定目标飞行器对接口相对于追踪飞行器对接口的滚动角、俯仰角和方位角（分别记为

θ和ψ）。

以目标飞行器的三个标记灯D1、D2和D3的相对位置确定目标飞行器对接口在测量坐标系中的姿态。具体地，由标记灯D1、D2和D3的相对位置可得到以下向量：

$V_1=\frac{D2-D1}{\left|\right|D2-D1\left|\right|}=\frac{(x_2-x_1,y_2-y_1,z_2-z_1)}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2+{(z_2-z_1)}^2}},$

$V_2=\frac{D3-\frac{1}{2}(D1+D2)}{\left|\right|D3-\frac{1}{2}(D1+D2)\left|\right|}=\frac{(x_3-\frac{1}{2}(x_1+x_2){,y}_3-\frac{1}{2}(y_1+y_2),z_3-\frac{1}{2}(z_1+z_2))}{\sqrt{{(x_3-\frac{1}{2}(x_1+x_2))}^2+{(y_3-\frac{1}{2}(y_1+y_2))}^2+{(z_3-\frac{1}{2}(z_1+z_2))}^2}},$

$V_3=\frac{V_1\×V_2}{\left|\right|V_1\×V_2\left|\right|},$

其中，D1(x₁,y₁,z₁)、D2(x₂,y₂,z₂)和D3(x₃,y₃,z₃)已利用式（3）得到，因此所述V₁、V₂和V₃的坐标值是唯一确定的，于是V₁、V₂和V₃分别代表测量坐标系中的一个方向向量，各自的坐标值可构成一个一行三列矩阵，如：V₁＝(a₁₁ a₂₁ a₃₁)，V₂＝(a₁₂ a₂₂ a₃₂)，V₃＝(a₁₃ a₂₃ a₃₃)，其中矩阵中的每个量为由上述计算得到的具体坐标值。

要实现目标飞行器和追踪飞行器的姿态调整，也就是要实现将追踪飞行器对接口绕当前的测量坐标系的x轴、y轴和z轴分别旋转角度

θ和ψ之后，新的测量坐标系的x轴、y轴和z轴分别与目标飞行器的V₁、V₂和V₃平行，基于该平行关系可得到角度

θ和ψ的值。按此思路，进行以下步骤：

以欧拉角表示的目标飞行器的姿态矩阵为：

于是有：

其中“′”为转置运算， $\left(\begin{array}{ccc}{V}_1^{\′}& V_2^{\′}& V_3^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right).$

在追踪飞行器与目标飞行器的最终逼近阶段，三个标记灯D1、D2和D3均出现在两台CCD照相机的视场中，因此俯仰角θ和方位角ψ均不超过

因此有：

θ＝Arc sin(-a₁₃)

$\mathrm{\ψ}=\mathrm{Arctg}\left(\frac{a_{12}}{a_{11}}\right)$

至于滚动角

由式（7）易知应利用四象限反正切函数计算滚动角

四象限反正切函数定义为：

$A\tan 2(X,Y)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{sign}\left(Y\right)\&CenterDot;\mathrm{Arctg}\frac{\left|X\right|}{\left|Y\right|}& X\&GreaterEqual;0\\ \mathrm{sign}\left(Y\right)\&CenterDot;(\mathrm{\&pi;}-\mathrm{Arctg}\frac{\left|X\right|}{\left|Y\right|})& X<0\end{array}\right.$

其中sign(Y)为符号函数，X≥0时为正，X＜0时为负。则滚动角

为：

由此得到了角度

θ和ψ的值。

利用上述方法，以采用1024×570像素的两台CCD照相机为例，d＝1000(mm)，f＝60(mm)，l＝0.05(mm)，测量得到三个标记灯D1、D2和D3在两个像平面坐标系中的坐标分别为：

(m₁,n₁)＝(0,-60)，(m₁',n₁')＝(-240,-60)，

(m₂,n₂)＝(240,-60)，(m₂',n₂')＝(0,60)，

(m₃,n₃)＝(120,120)，(m₃',n₃')＝(-120,120)，

则可利用式（3）得到在测量坐标系中的D1、D2和D3的坐标分别为：

(x₁,y₁,z₁)＝(-1000,-500,10000)，

(x₂,y₂,z₂)＝(1000,-500,10000)，

(x₃,y₃,z₃)＝(0,1000,10000)，

由D1、D2和D3的相对位置得到：

V₁＝(1 0 0)，

V₂＝(0 1 0)，

V₃＝(0 0 1)，

于是：

$\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right),$

代入θ＝Arc sin(-a₁₃)、

和可得：

除此之外，目标飞行器和追踪飞行器的相对速度可通过两者的相对位置计算得到，即相邻两时刻的位置之差除以间隔的时间就是相对速度。

由于本发明的方法思路巧妙，运算简单，可对双CCD测量***的测量结果进行快速响应，因此本发明能够实时地确定目标飞行器对接口和追踪飞行器对接口的相对位置、相对姿态和相对速度，确保追踪飞行器对接口和目标飞行器对接口的交会对接的精确性和实时性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于交会对接的CCD测量方法，其特征在于，包括：

步骤1，建立双CCD测量***，其中两台CCD照相机等距离安装于追踪对接口的两侧；

步骤2，确定目标对接口相对于追踪对接口的位置，包括；

①基于双CCD测量***的测量结果，确定用于指示交会对接的三个标记灯相对于追踪对接口的位置；其中，以所述三个标记灯为顶点的三角形为等腰三角形，且目标对接口位于所述等腰三角形的高线上；以及

②根据所述三个标记灯相对于追踪对接口的位置以及目标对接口与所述三个标记灯的相对位置，确定目标对接口相对于追踪对接口的位置；

步骤3，确定目标对接口相对于追踪对接口的姿态；

步骤4，根据两不同时刻下的目标对接口相对于追踪对接口的位置之差以及所述两不同时刻之间的时间间隔确定目标对接口相对于追踪对接口的运动速度；以及

步骤5，基于所述目标对接口相对于追踪对接口的位置、所述目标对接口相对于追踪对接口的姿态和所述目标对接口相对于追踪对接口的运动速度，进行目标对接口和追踪对接口的交会对接。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3的确定目标对接口相对于追踪对接口的姿态即确定目标对接口相对于追踪对接口的滚动角俯仰角θ和方位角ψ，包括：

①计算向量V₁、V₂和V₃： $V_1=\frac{(x_2-x_1,y_2-y_1,z_2-z_1)}{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2+{(z_2-z_1)}^2}},$

$V_2=\frac{(x_3-\frac{1}{2}(x_1+x_2){,y}_3-\frac{1}{2}(y_1+y_2),z_3-\frac{1}{2}(z_1+z_2))}{\sqrt{{(x_3-\frac{1}{2}(x_1+x_2))}^2+{(y_3-\frac{1}{2}(y_1+y_2))}^2+{(z_3-\frac{1}{2}(z_1+z_2))}^2}},$

$V_3=\frac{V_1\&times;V_2}{\left|\right|V_1\&times;V_2\left|\right|},$

其中(x₁,y₁,z₁)、(x₂,y₂,z₂)和(x₃,y₃,z₃)分别为所述三个标记灯相对于追踪对接口的位置的坐标，且位于(x₃,y₃,z₃)处的标记灯代表所述等腰三角形的顶点；以及

②令 $\left(\begin{array}{ccc}{V}_1^{\&prime;}& V_2^{\&prime;}& V_3^{\&prime;}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}\end{array}\right).$ 计算并得到θ＝Arc sin(-a₁₃)、

和

其中V₁＝(a₁₁ a₂₁ a)，V₂＝(a₁₂ a₂₂ a₃₂)，V₃＝(a₁₃ a₂₃ a₃₃)，且“′”为转置运算，(a₁₁，a₂₁,a₃₁)为根据①计算得到的V₁的坐标，(a₁₂，a₂₂,a₃₂)为根据①计算得到的V₂的坐标，(a₁₃，a₂₃,a₃₃)为根据①计算得到的V₃的坐标。

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