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基于三目视觉的航天器交会对接位姿测量方法研究
摘要
本文提出了一种基于三目视觉的航天器交会对接位姿测量方法。该方法利用三个摄像机对目标航天器进行观测，并通过计算机视觉算法得出目标航天器与本地航天器之间的相对位姿。根据实验结果，本文提出的方法能够有效地测量航天器的位姿，并能够在实际应用中得到很好的效果。
关键词：三目视觉，航天器，交会对接，位姿测量
Abstract
Thispaperproposesamethodformeasuringtheposeofspacecraftrendezvousanddockingbasedonthree-eyevision.Thismethodusesthreecamerastoobservethetargetspacecraft,andcalculatestherelativeposebetweenthetargetspacecraftandthelocalspacecraftthroughcomputervisionalgorithms.Accordingtotheexperimentalresults,themethodproposedinthispapercaneffectivelymeasuretheposeofspacecraftandcanachievegoodresultsinpracticalapplications.
Keywords:three-eyevision,spacecraft,rendezvousanddocking,posemeasurement
1引言
航天器交会对接是目前航天领域最重要的技术之一。在航天任务中，航天器必须与其它航天器或空间站进行对接，以完成任务的各种操作。由于对接的运动过程需要不同航天器之间的协调和互动，因此，对接过程的成功与否，直接关系到任务的顺利执行和结果的好坏。
在航天器交会过程中，精确地测量航天器之间的位姿是至关重要的。而三目视觉技术作为一种有效的测量航天器位姿的方法，近年来受到越来越广泛的关注。
本文主要研究基于三目视觉的航天器交会对接位姿测量方法。该方法基于三个摄像机对目标航天器进行观测，并通过计算机视觉算法得出目标航天器与本地航天器之间的相对位姿。本文将详细介绍方法的原理与实现过程，并通过实验验证该方法的有效性和可靠性。
2相关工作
在航天器交会对接位姿测量中，传统的方法通常采用激光雷达或测距仪等设备对航天器进行测量。但这些设备在实际使用中存在一定的局限性，如测量精度不够高、设备成本高等。因此，如何利用更加先进的技术提高测量精度并降低成本，一直是研究者们关注的焦点。
三目视觉技术则是近年来被广泛研究和应用的一种高精度、低成本的测量方法。该方法利用三个摄像机对目标物体进行观测，并通过计算机视觉算法得出目标物体的三维坐标信息。在航天器交会对接中，三目视觉能够有效地测量航天器的位姿，同时具有结构简单、成本低等优点，因此也逐渐被研究者们所关注。
3方法设计
3.1系统结构
本文设计的基于三目视觉的航天器交会对接位姿测量系统结构如图1所示。
图1系统结构
如图1所示，系统由三个摄像机、目标航天器和本地航天器组成。三个摄像机分别在不同的位置上对目标航天器进行观测，并将采集到的图像传输给计算机，计算机通过图像处理算法提取图像特征并计算出目标航天器与本地航天器之间的相对位姿。最终，系统将测量结果输出给航天器控制系统，用于控制航天器的运动和操作。
3.2测量原理
基于三目视觉的航天器交会对接位姿测量方法主要包括两个步骤：相机标定与位姿测量。
相机标定是将三个摄像机的内部参数和外部参数确定下来，并有效地将图像坐标系和实际坐标系进行映射的过程。该过程需要采集多组已知大小和位置的标定板图像，并利用计算机视觉算法对图像进行处理，从而得到摄像机的内部参数与外部参数。
位姿测量是以已经标定好的三个摄像机为基础，通过计算机视觉算法得出目标航天器与本地航天器之间的相对位姿。该过程需要采集多组目标航天器在不同位置和角度下的图像，并将图像处理中得到的特征点信息进行匹配，最终通过三维重构算法计算出目标航天器的三维坐标信息，从而实现位姿测量。
3.3算法实现
相机标定
相机标定是利用已知大小和位置的标定板进行图像处理，确定摄像机内部参数和外部参数的过程。本文采用的是OpenCV内置的相机标定函数进行标定，具体步骤如下：
-标定板图像采集：摄像机拍摄多个不同角度的标定板图像，注意角度不要过于接近正视角，避免出现重合点等问题。
-角点提取：利用CornerHarris等算法对图像进行角点提取。
-角点匹配：对不同角度的图像进行匹配，得到角点的对应关系。
-相机标定：根据得到的角点对应关系，利用OpenC