交会对接气浮仿真平台视觉辅助姿态确定

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1、2011年10月中国空间科学技术41第5期乙hlnesebpace3clenceand1echnology交会对接气浮仿真平台视觉辅助姿态确定魏喜庆宋申民(哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心，哈尔滨150001)摘要文章首先介绍了用于空间合作卫星最后逼近段交会对接任务的仿真平台，描述了文中使用的姿态运动学方程和视觉成像算法。为了充分利用陀螺仪和视觉系统进行姿态确定，采用传统的扩展卡尔曼滤波(EKF)对两种测量数据进行融合，实现对姿态和陀螺仪漂移的估计。为了克服EKF调节参数过多和计算过程需

2、要求逆的问题，设计了一种新的非线性观测器。最后，通过在对接仿真平台上进行试验，对比验证了j仁线性滤波器的有效性以及实用性。关键词交会对接气浮仿真平台视觉定姿扩展卡尔曼滤波非线性观测器航天器DOI：IO．3780／j．issn．1000—758X．2011．05．0061引言航天器交会对接(RendezvousandDocking，RVD)过程中，要求两个航天器不能发生碰撞，这是至关重要的安全要求。为了满足RVD的高精度和苛刻安全要求，需要大量理论研究和物理仿真。利用气浮技术进行全物理仿真，是发展

3、较早且广泛采用的一种有效手段[1]。四自由度对接仿真平台采用了单轴气浮轴承的形式，开发对接与分离的地面演示系统，用于仿真验证最后逼近阶段的制导与控制规律、卫星姿态控制以及位姿测量系统的有效性和可靠性。位姿估计是计算机视觉的一个重要内容，n点透视(Perspective-n-Point，PnP)问题具有常规的解法[2]，但是快速准确的求解此类问题，仍一直是学者努力的方向。Nister给出了求解位姿的五点算法[3]，Lu基于n点透视提出了一种正交迭代方法求解位姿【4]。利用陀螺仪以及星敏感器等装置的

4、扩展卡尔曼滤波(EKF)姿态确定算法，在20世纪80年代初成为研究热点[5-6]，并逐渐发展为一种成熟方法，成功应用在了多种飞行器上[7]。本文的主要研究利用视觉摄像机获得的姿态角和俯仰与偏航轴陀螺仪输出的角速度来有效地确定姿态。由于视觉系统的CCD相机的视野有限，仅有40。左右，因此一旦主动星转动使目标超出视野，就会造成视觉定姿失败；而陀螺仪输出角速度具有自主性且输出信号更新速率快，但是漂移随时间累积的特点。为了将两者优势结合起来，更好地获得主动星的姿态，本文采用了这种成熟的EKF算法，充分利

5、用了姿态运动学方程和陀螺仪模型以及视觉的观测数据。由于EKF的初始状态协方差阵的选取对滤波精度影响较大，且本系统的协方差阵为6维方阵，如果初值选取不当会造成滤波器发散；又由于求取滤波增益时需要进行求逆运算，存在求解计算量大的问题。为了克服这些困难，本文提出了一种新的姿态估计方法，使用四元数和改进的罗德里格参数(MRPs)相结合，利用李雅普诺夫(Lyapunov)函数推导出一种非线性观测器，并证明了观测器的全局收敛性。国家863计划资助项目收稿日期：2010—11—22。收修改稿日期：2011—0

6、2—2142中国空间科学技术2011年10月2四自由度对接仿真平台四自由度对接仿真系统由追踪星、目标星和光滑无摩擦的大理石平台组成，用于完成对接的地面演示试验。追踪星由支撑系统和星体系统两部分组成，支撑系统的底座下面安装有平面气浮垫，通过喷气在气浮垫和大理石平台之间形成一层气膜，支撑起了整个追踪星，可以实现整个系统与大理石平台的无摩擦二维平动和绕垂直轴的转动；支撑系统和星体系统由单轴气浮轴连接，既能支撑起星体，又能保证星体绕侧向轴做无摩擦的俯仰运动。因此系统可模拟空间无摩擦的四自由度运动。星体的

7、执行机构包括喷嘴和飞轮。仿真平台上的13个冷气喷气喷嘴，可以实现二维的平动与转动。另外采用了两个反作用飞轮，与喷气系统结合来控制星体的俯仰与偏航运动，具体的控制实现方式是采用大范围的转动机动时使用喷气驱动，而微调时用飞轮控制。测量系统包括惯性和视觉测量系统两部分。惯性测量装置包括两个正交放置的陀螺仪，可以输出偏航和俯仰两个方向的角速度。视觉测量系统是对接系统的主要测量装置，通过目标星上安装的主动目标器，安装在追踪星上的CCD相机来获取目标器上的发光点成像，通过图像处理、特征匹配和利用投影姿态与定

8、标迭代(PosefromOrthographyandScalingwithIterations，POSIT)算法[8]可以得到两个星体之间的相对位姿，从而为气浮追踪星提供所需的制导信息，如图1所示。3姿态运动方程观察目标CCD捕获图像觉测量系统图取像标处志理坐获标姿获态取测佗量姿彝图1视觉测量系统原理图Fig．1Diagramofvisionmeasurementsystem3．1四元数姿态运动学方程四元数由一个三维的矢量和一个标量两部分组成，写成如下形式[9]：q=(玑q13)一(竺筠’)㈩式