本發(fā)明涉及一種深空探測行星著陸模擬器位姿測量裝置及方法，屬于著陸模擬器位姿測量裝置及方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代航天深空探測任務(wù)要求進(jìn)行行星著陸探測，航天器從環(huán)繞軌道進(jìn)入火星大氣直至降落在火星上是一個復(fù)雜的運(yùn)動過程，在這個過程中著陸器需要面對復(fù)雜多變的火星環(huán)境和突發(fā)條件，并且需要進(jìn)行軌道姿態(tài)的調(diào)控，著陸是否成功直接關(guān)系到探測任務(wù)的成敗。因此，設(shè)計(jì)火星捕獲制動與器器分離全物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng)，對火星探測捕獲制動階段和器器分離階段的減速制動、安全分離等控制而開展的仿真驗(yàn)證便顯得尤為重要。

行星著陸模擬器采用兩個運(yùn)動模擬器分別來模擬環(huán)繞器與著陸器。運(yùn)動模擬器在軌道穩(wěn)定支撐系統(tǒng)上運(yùn)動，在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動，包括X，Y方向平動和繞Z軸轉(zhuǎn)動。為實(shí)現(xiàn)對模擬器的閉環(huán)控制，需要通過測量系統(tǒng)得到模擬器的軌道和姿態(tài)。測量系統(tǒng)的精度決定了整個控制系統(tǒng)的精度，因此，設(shè)計(jì)高精度且穩(wěn)定可靠的測量系統(tǒng)是非常重要的。

論文“基于單目視覺的位姿測量方法及仿真系統(tǒng)研究”(哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，馬國松，20050301)中提出了一種利用單目攝像機(jī)對目標(biāo)進(jìn)行位置及姿態(tài)測量的方法。雖然結(jié)構(gòu)簡單，并且能夠?qū)崿F(xiàn)物體位置和姿態(tài)的測量，但是其測量精度較低，其最終位置誤差為2％，姿態(tài)誤差為±2°左右，應(yīng)用范圍有限，難以應(yīng)用在航空探測等高精度場合。

論文“三維姿態(tài)角高精度測量裝置”(光學(xué)精密工程：doi:10.3788/OPE.20162405.0963)提出了一種基于激光準(zhǔn)直儀的三維測角裝置。該裝置具有高精度、高穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡單可靠。但是該方法僅適用于轉(zhuǎn)動，無法測量物體的平動信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，進(jìn)而提供一種深空探測行星著陸模擬器位姿測量裝置及方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種深空探測行星著陸模擬器位姿測量裝置，包括：電機(jī)、導(dǎo)軌、絲杠、兩個Y橫梁、X橫梁、四個Z橫梁、支架、攝像機(jī)、氣浮平臺、氣浮軸承、大理石平臺、四個基座和標(biāo)志點(diǎn)，所述四個Z橫梁豎直設(shè)置，每個Z橫梁的上端設(shè)有一個電機(jī)，每個Z橫梁的下端與一個基座固定連接，每個Z橫梁上設(shè)有一個導(dǎo)軌和一個絲杠，絲杠的一端與電機(jī)的輸出端相連接，絲杠與導(dǎo)軌相嚙合，導(dǎo)軌與Z橫梁固定連接；兩個Y橫梁相互平行設(shè)置在兩兩相對的Z橫梁上的導(dǎo)軌上且與導(dǎo)軌滑動連接；

每個Y橫梁上設(shè)有一個電機(jī)、一個導(dǎo)軌和一個絲杠，絲杠的一端與電機(jī)的輸出端相連接，絲杠與導(dǎo)軌相嚙合，導(dǎo)軌與Y橫梁固定連接；X橫梁的一端與一側(cè)的Y橫梁的導(dǎo)軌滑動連接，X橫梁的另一端與另一側(cè)的Y橫梁的導(dǎo)軌滑動連接；

X橫梁上設(shè)有一個電機(jī)、一個導(dǎo)軌和一個絲杠，絲杠的一端與電機(jī)的輸出端相連接，絲杠與導(dǎo)軌相嚙合，導(dǎo)軌與X橫梁固定連接；

支架與X橫梁上的導(dǎo)軌滑動連接，攝像機(jī)固定在支架的下端，大理石平臺設(shè)置在四個基座圍成的空間內(nèi)的下部，大理石平臺的上端設(shè)有氣浮軸承，氣浮軸承的上端設(shè)有氣浮平臺，標(biāo)志點(diǎn)固定在氣浮平臺的上端，攝像機(jī)與標(biāo)志點(diǎn)上下對應(yīng)。

一種深空探測行星著陸模擬器位姿測量方法如下：

當(dāng)氣浮平臺產(chǎn)生一定的平動或轉(zhuǎn)動時(shí)，攝像機(jī)通過將當(dāng)前標(biāo)志點(diǎn)的圖像進(jìn)行去畸變，二值化，求質(zhì)心處理，得到三個標(biāo)志點(diǎn)的幾何中心在攝像機(jī)成像面上的像素坐標(biāo)，通過建立三維模型，由三個像素坐標(biāo)得到三個標(biāo)志點(diǎn)幾何中心在世界坐標(biāo)系中的空間三維坐標(biāo)；

O_c為攝像機(jī)光心，測量光標(biāo)記為A、B、C，O_cA，O_cB，O_cC之間的夾角分別為α,β,γ；已知|BC|＝a，|AC|＝b，|AB|＝c，由攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)計(jì)算得到α,β,γ的值，設(shè)A、B、C與光心O_c之間連線的長度分別記為x,y,z，則以下方程成立：

當(dāng)A、B、C構(gòu)成等腰三角形關(guān)系，且攝像機(jī)在某些特定區(qū)域時(shí)，方程組具有唯一解，形式如下：

滿足上述解的形式時(shí)，攝像機(jī)相對于標(biāo)志物的位置：AK垂直于AC，AJ垂直于AB，且AK，AJ都在平面ABC上，直線L過點(diǎn)A且垂直于平面ABC，直線L和射線AK構(gòu)成平面α，直線L和射線AJ構(gòu)成平面β，平面π1和平面π2所夾的空間區(qū)域稱為V；當(dāng)光心O_c出現(xiàn)在V區(qū)域時(shí)，對應(yīng)解的形式為方程組一；同理，對應(yīng)方程組二，光心O_c位于空間W處；

應(yīng)用牛頓迭代法從上述方程組中解得A、B、C與光心O_c之間連線的長度x,y,z；利用相似三角形原理，可以得到A，B，C三點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為：

其中，(A′_x,A′_y),(B′_x,B′_y),(C′_x,C′_y)分別三個像點(diǎn)的圖像像素坐標(biāo)，(u_o,v_o)是攝像機(jī)光軸O_cO與成像面交點(diǎn)O，f是攝像機(jī)焦距，將這三個坐標(biāo)作為反饋信息傳給橫梁上對應(yīng)的電機(jī)，使電機(jī)帶動絲杠產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從而使得攝像機(jī)能夠始終跟隨氣浮平臺的平動，并且保證攝像機(jī)調(diào)整與標(biāo)志點(diǎn)的高度差，通過由攝像機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換得到三個標(biāo)志點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變化情況，并由此解算出氣浮平臺的轉(zhuǎn)動角度。

本發(fā)明提出一種基于圖像處理的深空探測行星著陸模擬器位姿測量裝置及方法。視覺測量系統(tǒng)通過攝像機(jī)采集測量光標(biāo)圖像，利用二維信息逆向推導(dǎo)光標(biāo)相對于攝像機(jī)的三維姿態(tài)信息，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動模擬器軌道和姿態(tài)測量功能。攝像機(jī)安裝在具有三個平動自由度的由Y橫梁、X橫梁和Z橫梁構(gòu)成的天車上，可以跟隨物體做水平兩自由度平動，解決了物體平動信息的測量問題。同時(shí)，由于攝像機(jī)具有豎直方向的平動自由度，因此可最大限度縮短攝像機(jī)與標(biāo)志點(diǎn)的距離，提高了測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明深空探測行星著陸模擬器位姿測量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為氣浮平臺和標(biāo)志點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為攝像機(jī)三維成像模型圖。

圖4為攝像機(jī)位置示意圖。

圖中的附圖標(biāo)記，1為電機(jī)，2為導(dǎo)軌，3為絲杠，4為Y橫梁，5為X橫梁，6為Z橫梁，7為支架，8為攝像機(jī)，9為氣浮平臺，10為氣浮軸承，11為大理石平臺，12為基座，13為標(biāo)志點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。

如圖1和圖2所示，本實(shí)施例所涉及的一種深空探測行星著陸模擬器位姿測量裝置，包括：電機(jī)1、導(dǎo)軌2、絲杠3、兩個Y橫梁4、X橫梁5、四個Z橫梁6、支架7、攝像機(jī)8、氣浮平臺9、氣浮軸承10、大理石平臺11、四個基座12和標(biāo)志點(diǎn)13，所述四個Z橫梁6豎直設(shè)置，每個Z橫梁6的上端設(shè)有一個電機(jī)1，每個Z橫梁6的下端與一個基座12固定連接，每個Z橫梁6上設(shè)有一個導(dǎo)軌2和一個絲杠3，絲杠3的一端與電機(jī)1的輸出端相連接，絲杠3與導(dǎo)軌2相嚙合，導(dǎo)軌2與Z橫梁6固定連接；兩個Y橫梁4相互平行設(shè)置在兩兩相對的Z橫梁6上的導(dǎo)軌2上且與導(dǎo)軌2滑動連接；

每個Y橫梁4上設(shè)有一個電機(jī)1、一個導(dǎo)軌2和一個絲杠3，絲杠3的一端與電機(jī)1的輸出端相連接，絲杠3與導(dǎo)軌2相嚙合，導(dǎo)軌2與Y橫梁4固定連接；X橫梁5的一端與一側(cè)的Y橫梁4的導(dǎo)軌2滑動連接，X橫梁5的另一端與另一側(cè)的Y橫梁4的導(dǎo)軌2滑動連接；

X橫梁5上設(shè)有一個電機(jī)1、一個導(dǎo)軌2和一個絲杠3，絲杠3的一端與電機(jī)1的輸出端相連接，絲杠3與導(dǎo)軌2相嚙合，導(dǎo)軌2與X橫梁5固定連接；

支架7與X橫梁5上的導(dǎo)軌2滑動連接，攝像機(jī)8固定在支架7的下端，大理石平臺11設(shè)置在四個基座12圍成的空間內(nèi)的下部，大理石平臺11的上端設(shè)有氣浮軸承10，氣浮軸承10的上端設(shè)有氣浮平臺9，標(biāo)志點(diǎn)13固定在氣浮平臺9的上端，攝像機(jī)8與標(biāo)志點(diǎn)13上下對應(yīng)。

支架7經(jīng)絲杠帶動，可以沿X橫梁左右滑動。X橫梁垂直于兩個Y橫梁，其兩端分別由Y橫梁上的電機(jī)通過絲杠控制，實(shí)現(xiàn)沿Y橫梁的運(yùn)動。兩個Y橫梁的四個端點(diǎn)由絲杠與位于Z橫梁的四個電機(jī)分別相連，實(shí)現(xiàn)沿Z橫梁的運(yùn)動。標(biāo)志點(diǎn)位于氣浮平臺上。氣浮平臺經(jīng)氣浮軸承與大理石平臺相連，在水平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動，包括X，Y方向平動和繞Z軸轉(zhuǎn)動。

所述標(biāo)志點(diǎn)13為三個，三個標(biāo)志點(diǎn)13一字型排列固定在氣浮平臺9上端的中心位置。

如圖3和圖4所示，本實(shí)施例所涉及的一種深空探測行星著陸模擬器位姿測量方法，當(dāng)氣浮平臺產(chǎn)生一定的平動或轉(zhuǎn)動時(shí)，攝像機(jī)通過將當(dāng)前標(biāo)志點(diǎn)的圖像進(jìn)行去畸變，二值化，求質(zhì)心等處理，得到三個標(biāo)志點(diǎn)的幾何中心在攝像機(jī)成像面上的像素坐標(biāo)。通過建立三維模型，可以由三個像素坐標(biāo)得到三個標(biāo)志點(diǎn)幾何中心在世界坐標(biāo)系中的空間三維坐標(biāo)。攝像機(jī)的三維成像模型如圖3所示。

圖中，O_c為攝像機(jī)光心，測量光標(biāo)記為A、B、C，O_cA，O_cB，O_cC之間的夾角分別為α,β,γ；已知|BC|＝a，|AC|＝b，|AB|＝c，由攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)可計(jì)算得到α,β,γ的值，設(shè)A、B、C與光心O_c之間連線的長度分別記為x,y,z，則以下方程成立：

可以證明，當(dāng)A、B、C構(gòu)成等腰三角形關(guān)系，且攝像機(jī)在某些特定區(qū)域時(shí)，方程組具有唯一解，形式如下：

滿足上述解的形式時(shí)，攝像機(jī)相對于標(biāo)志物的位置如圖4所示。AK垂直于AC，AJ垂直于AB，且AK，AJ都在平面ABC上，直線L過點(diǎn)A且垂直于平面ABC，直線L和射線AK構(gòu)成平面α，直線L和射線AJ構(gòu)成平面β，平面π1和平面π2所夾的空間區(qū)域稱為V。當(dāng)光心O_c出現(xiàn)在V區(qū)域時(shí)，對應(yīng)解的形式為方程組一。同理，對應(yīng)方程組二，光心O_c位于空間W處。

可以應(yīng)用牛頓迭代法從上述方程組中解得A、B、C與光心O_c之間連線的長度x,y,z。利用相似三角形原理，可以得到A,B,C三點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為：

其中，(A′_x,A′_y),(B′_x,B′_y),(C′_x,C′_y)分別三個像點(diǎn)的圖像像素坐標(biāo)，(u_o,v_o)是攝像機(jī)光軸O_cO與成像面交點(diǎn)O，f是攝像機(jī)焦距。將這三個坐標(biāo)作為反饋信息傳給橫梁上對應(yīng)的電機(jī)，使電機(jī)帶動絲杠產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從而使得攝像機(jī)能夠始終跟隨氣浮平臺的平動，并且保證攝像機(jī)可以調(diào)整與標(biāo)志點(diǎn)的高度差，提高了測量的精度。通過由攝像機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換可以得到三個標(biāo)志點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)變化情況，并由此可以解算出氣浮平臺的轉(zhuǎn)動角度。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，這些具體實(shí)施方式都是基于本發(fā)明整體構(gòu)思下的不同實(shí)現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。