专利名称：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。计算机视觉系统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CXD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，现有的计算机视觉系统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CXD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CXD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CXD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系统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。
图I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CXD照相机的位置示意图。
具体实施例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。I、建立双C⑶测量系统
图I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I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I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测量系统，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CXD照相机((XDl和(XD2)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，CCDl和CCD2所在的平面与对接口表面 平行，CCDl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CXD测量系统，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I轴，Z轴与X轴和y轴构成右手系，将其称为“测量坐标系”。在CXD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C⑶照相机，因此有两个像平面坐标系。以CXD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I轴，Z轴与X轴和y轴构成右手系,如此的坐标系称为“(XD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CXD照相机的成像原理，由某一点在CXD照相机中的图像可得到CXD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，η)，且在CXD坐标系中的坐标为(x，y, z)，则有
ml X nl V二Γ = —，了 =丄(1 )
f Z f Z式中f为CXD照相机的焦距，I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CXD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Oi^n1)和(m/，n/ )，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(Hi1Ln1IJ)和(in/ l，n/ I, f) ^CCDl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CXDl和(XD2的坐标分别为(-d，O, O)和(d，O, O)。
因此，在测量坐标系中,(XDl的像平面坐标系的原点到点B的连线的方程为—= = _7 5
M1I II1I J
(XD2的像平面坐标系的原点到点B的连线的方程为一f = = 由上两式可构成以下
//Z1 / N1 I J方程组
权利要求
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CXD测量系统，其中两台CXD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测量系统的测量结果，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I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炉、俯仰角Θ和方位角Ψ，包括 ①计算向量
全文摘要
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。
文档编号G01C21/00GK102706329SQ20121017541
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者安凯, 王飞飞 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一三研究所