一种基于双目视觉的空间目标旋转状态辨识方法

摘要

本发明涉及一种基于双目视觉的空间目标旋转状态辨识方法，技术特征在于：将双目相机置于目标附近的任意位置P点，以目标上任意的两个标志点A和B为特征点，计算旋转轴的方向向量，计算标志点A和B在旋转平面上的投影，计算操作目标的旋转角度，计算旋转角速度，得到目标的旋转角速度矢量和目标的旋转轴方程辨识结果。有益效果：计算量小，辨识速度快，辨识精度高，易于实现的特点，弥补了现有方法无法辨识目标旋转轴的缺陷，能够被用来对自旋卫星、失控旋转卫星等空间目标的旋转状态进行辨识，为空间旋转目标的近距离空间操作奠定了基础，有着巨大的应用潜力。

主权项

1.一种基于双目视觉的空间目标旋转状态的辨识方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将双目相机置于目标附近的任意位置P点，以目标上任意的两个标志点A和B为特征点，以t₀时刻两点在相机坐标系中的位置向量r_A0和r_B0及t₀+ΔT时刻两点在相机坐标系中的位置矢量r_A1和r_B1，计算角度量θ：$\theta =\arccos \left[\frac{(r_{A1}-r_{A0})·(r_{B1}-r_{B0})}{|r_{A1}-r_{A0}||r_{B1}-r_{B0}|}\right]$若计算的|θ|＞5°且|180-θ|＞5°，转入步骤2，否则需要重新选择标志点A和B；步骤2计算旋转轴的方向向量：若r_flag·r_s≥0，则旋转轴的方向向量S＝r_s；若r_flag·r_s＜0，则旋转轴的方向向量S＝-r_s；其中：r_flag＝(r_B0-r_A0)×(r_B1-r_A1)，$r_S=\frac{(r_{A1}-r_{A0})\times (r_{B1}-r_{B0})}{|(r_{A1}-r_{A0})\times (r_{B1}-r_{B0})|};$步骤3计算标志点A和B在旋转平面上的投影r_PA0、r_PA1、r_PB0、r_PB0：r_PA0＝r_A0-(r_A0·S)S，r_PB0＝r_B0-(r_B0·S)S，r_PA1＝r_A1-(r_A1·S)S，r_PB0＝r_B0-(r_B0·S)S；计算投影长度比γ：若γ≥cos(80°)＝0.174，则转入步骤4，否则需要返回步骤1，重新选择标志点A和B后重复步骤1~3；步骤4计算操作目标的旋转角度若则转入步骤5，否则需要回到步骤1，增大观测时间ΔT后重复步骤1~4；步骤5差分计算旋转角速度ω：计算目标旋转运动四元素如下：$q_1=S_x\sin \frac{\phi }{2},$$q_2=S_y\sin \frac{\phi }{2},$$q_3=S_z\sin \frac{\phi }{2},$$q_4=\cos \frac{\phi }{2}$式中，S_x、S_y和S_z分别表示旋转轴方向向量S在三个坐标轴上的分量；得到目标旋转矩阵R为：$R={\left[\begin{array}{ccc}{q}_1^2-q_2^2-q_3^2+q_4^2& 2(q_1{q}_2+q_3{q}_4)& 2(q_1{q}_3-q_2{q}_4)\\ 2(q_1{q}_2-q_3{q}_4)& -q_1^2+q_2^2-q_3^2+q_4^2& 2(q_2{q}_3+q_1{q}_4)\\ 2(q_1{q}_3+q_2{q}_4)& 2(q_2{q}_3-q_1{q}_4)& -q_1^2-q_2^2+q_3^2+q_4^2\end{array}\right]}^T;$步骤6计算旋转平面中心点C的坐标近似值${\tilde{r}}_C=\left(A^{T}A\right)A^{T}b$式中：$A=\left[\begin{array}{c}I-R\\ I-R\\ S^T\end{array}\right],$$b=\left[\begin{array}{c}{r}_{\mathrm{PA}1}-{\mathrm{Rr}}_{\mathrm{PA}0}\\ r_{\mathrm{PB}1}-R{r}_{\mathrm{PB}0}\\ 0\end{array}\right],$其中，I表示3×3的单位矩阵；步骤7：目标的旋转角速度矢量的辨识结果为：ωS；目标的旋转轴方程的辨识结果为：其中：r_Cx、r_Cy和r_Cz分别表示旋转中心坐标近似值的在三个坐标轴上的分量，即