一种多传感器融合的超近距离自主导航装置与方法

摘要

本发明公开了一种多传感器融合的超近距离自主导航装置与方法。该装置包括传感器子系统、信息融合子系统、敏感器扫描结构和指向导引结构，将可见光成像敏感器与红外成像敏感器结合，并结合光学成像敏感器组成的被动式测量方式与激光测距传感器组成的主动式测量方式获取数据。自主导航分为三个阶段：远距离段采用双目可见光成像敏感器和双目红外成像敏感器组合的导航方式，近距离段采用双目可见光成像敏感器、双目红外成像敏感器和激光测距传感器阵列组合的导航方式，极近距离段采用激光测距传感器阵列的导航方式。本发明扩大了视场和探测范围，有效解决了被动式测量存在的遮挡问题，保证了数据测量的精度，提高了导航效率及导航的安全性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于空间视觉导航技术领域，更具体地，涉及一种多传感器融 合的超近距离自主导航装置与方法，可用于观测卫星的空间交会对接，伴 随飞行与编队飞行，空间目标的相对导航和组网编队，在太空中处于自旋 运动或姿态调节过程中的空间物体的特性测量，以及观测卫星与空间物体 在逐渐靠近过程中的自主图像导航。

背景技术

相对导航是以测量航天器之间的相对距离、方位信息为基础，进而确 定出相对位置和姿态信息。空间运输、载人航天、在轨服务、深空探测等 不同的航天活动都涉及到航天器相对位置和方位的确定、变化与保持，任 何深空探测任务的成功都是建立在对深空探测器有效导航与控制的基础上 完成的。在地球物理与地球环境探测、对地光学成像、掩星大气探测卫星 星座、空间对抗、卫星星座、伴随飞行与编队飞行等应用中，空间视觉导 航技术占据着至关重要的地位。

空间视觉导航要解决的问题包括：一、空间位置、方向、环境信息的 检测；二、所获信息的分析、处理及综合；三、运动路径规划。基于光学 的自主导航方式，即航天器依靠机载光学导航设备，自主地完成导航任务， 不和外界发生任何光、电联系的导航方式。由于其具有自主性强、精度高、 实时性好等优点，成为近年来各国学者研究的热点。基于光学的自主导航 能减少操作的复杂性，降低任务的费用，简化探测器的地面支持系统，大 大增强深空探测的效率，即使在探测器与地面通信联络完全中断的条件下， 仍然能够完成轨道确定、轨道保持、姿态控制等日常功能，扩大了探测器 在空间的应用潜力。在超近距离导航过程中，主要是基于光学的自主导航 方案，基于光学的自主导航方案主要分为单目视觉导航和双目视觉导航， 但由于视场角较小，探测范围有限，视野中存在遮挡等，造成部分信息因 不能成像到像平面上而丢失，无法满足超近距离自主导航任务的需要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多传感器融 合的超近距离自主导航装置与方法，目的是针对200米范围内的空间目标， 实现对空间目标的自主导航。本发明扩大了视场和探测范围，有效解决了 被动式测量存在的遮挡问题，保证了数据测量的精度，提高了导航效率， 以及导航的安全性和可靠性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种自主导航装置， 其特征在于，包括传感器子系统、信息融合子系统、敏感器扫描结构和指 向导引结构；所述传感器子系统安装在所述指向导引结构上，包括第一和 第二红外成像敏感器，第一和第二可见光成像敏感器，以及第一至第五激 光测距传感器；所述信息融合子系统包括红外信息处理板、可见光信息处 理板和星务服务器；所述第一和第二红外成像敏感器分别通过总线连接至 所述红外信息处理板，所述第一和第二可见光成像敏感器分别通过总线连 接至所述可见光信息处理板，所述第一至第五激光测距传感器分别连接至 所述星务服务器，所述红外信息处理板和所述可见光信息处理板分别通过 总线连接至所述星务服务器；所述星务服务器用于结合所述第一和第二红 外成像敏感器采集的双目红外图像，所述第一和第二可见光成像敏感器采 集的双目可见光图像，以及所述第一至第五激光测距传感器采集的激光数 据，发送使所述传感器子系统进行姿态调整的控制指令；所述敏感器扫描 结构包括连接至所述星务服务器的第一和第二旋转台，所述第一和第二可 见光成像敏感器分别安装在所述第一和第二旋转台上，通过所述星务服务 器控制所述第一和第二旋转台转动，使所述第一和第二可见光成像敏感器 实现视场范围内的空间目标扫描；所述指向导引结构包括二自由度云台和 云台伺服控制器；所述云台伺服控制器连接至所述星务服务器，用于接收 来所述自星务服务器的控制指令，控制所述二自由度云台进行姿态调整， 从而使所述传感器子系统进行姿态调整。

优选地，所述第一可见光成像敏感器、所述第一红外成像敏感器、所 述第一激光测距传感器、所述第二红外成像敏感器和所述第二可见光成像 敏感器依次设置在同一导轨上，所述第一可见光成像敏感器和所述第一红 外成像敏感器与所述第二红外成像敏感器和所述第二可见光成像敏感器相 对于所述第一激光测距传感器对称；所述第二至第五激光测距传感器到所 述第一激光测距传感器的距离相等，所述第二和第三激光测距传感器相对 于所述导轨对称，所述第四和第五激光测距传感器相对于所述导轨对称。

按照本发明的另一方面，提供了一种用上述装置进行自主导航的方法， 其特征在于，包括如下步骤：(1)第一和第二红外成像敏感器采集双目红 外图像，第一和第二可见光成像敏感器采集双目可见光图像，利用双目红 外图像和双目可见光图像，检测并定位空间目标，得到导航装置与空间目 标的相对距离；(2)判断导航装置与空间目标的相对距离是否大于100m， 是则将导航装置向空间目标推进，返回步骤(1)；否则顺序执行步骤(3)； (3)第一和第二红外成像敏感器采集双目红外图像，第一和第二可见光成 像敏感器采集双目可见光图像，第一至第五激光测距传感器采集激光数据， 利用双目红外图像、双目可见光图像和激光数据，得到空间目标的三维结 构信息、三维距离信息和三维运动参数；(4)根据空间目标的三维距离信 息，判断导航装置与空间目标的相对距离是否大于20m，是则将导航装置 向空间目标推进，返回步骤(3)；否则顺序执行步骤(5)；(5)第一至 第五激光测距传感器采集激光数据，利用激光数据，结合步骤(3)得到的 空间目标的三维结构信息和三维运动参数，得到导航装置与空间目标的相 对距离和相对姿态角；(6)判断导航装置与空间目标的相对姿态角是否为 0，是则顺序执行步骤(7)；否则调整导航装置的姿态，减小导航装置与 空间目标的相对姿态角，返回步骤(5)；(7)将导航装置向空间目标推 进；(8)重复执行步骤(5)至(7)，直至导航装置到达空间目标，完成 相对导航过程。

优选地，所述步骤(1)进一步包括如下子步骤：(1-1)第一和第二红 外成像敏感器采集双目红外图像，第一和第二可见光成像敏感器采集双目 可见光图像，分别处理双目红外图像和双目可见光图像，分割空间目标与 背景，得到空间目标的感兴趣区域；(1-2)提取空间目标轮廓，对空间目 标轮廓进行跟踪，计算空间目标轮廓的二维图形中心，得到空间目标轮廓 中心在双目可见光图像的左可见光图像和右可见光图像中的坐标分别为 (U₁,V₁)和(U′₁,V′₁)，进而得到空间目标在双目可见光图像中的中心坐标 得到空间目标轮廓中心在双目红外图像的左红外图像和右 红外图像中的坐标分别为(U₂,V₂)和(U′₂,V′₂)，进而得到空间目标在双目红外图 像中的中心坐标根据(U₁,V₁)和(U′₁,V′₁)重建出空间目标相对于 导航装置的空间距离；(1-3)计算空间目标在双目可见光图像中的中心坐 标与成像平面中心的距离，以及空间目标在双目红外图像中的中心坐标与成 像平面中心的距离，调整导航装置的姿态，使空间目标轮廓中心靠近成像 平面中心区域；(1-4)判断空间目标轮廓中心是否在成像平面中心区域，是 则完成空间目标的检测定位；否则重复执行步骤(1-1)至(1-3)，直至空 间目标轮廓中心落在成像平面中心区域。

优选地，所述步骤(3)进一步包括如下子步骤：(3-1)第一和第二红 外成像敏感器采集双目红外图像，第一和第二可见光成像敏感器采集双目 可见光图像，第一至第五激光测距传感器采集激光数据；(3-2)分别检测 双目红外图像和双目可见光图像中的线段和角点特征，得到双目红外图像 中的特征点和双目可见光图像中的特征点；(3-3)匹配双目红外图像的左 红外图像和右红外图像中的特征点，匹配双目可见光图像的左可见光图像 和右可见光图像中的特征点，重建空间目标的三维结构信息和三维距离信 息；(3-4)利用第一至第五激光测距传感器采集的激光数据校正重建的空 间目标的三维距离信息；(3-5)第一和第二红外成像敏感器采集双目红外 序列图像，第一和第二可见光成像敏感器采集双目可见光序列图像，匹配 双目红外序列图像的左红外序列图像和右红外序列图像中的特征点，匹配 双目可见光序列图像的左可见光序列图像和右可见光序列图像中的特征 点，得到空间目标的三维运动参数。

优选地，所述步骤(5)进一步包括如下子步骤：(5-1)第一至第五激 光测距传感器分别测量其相对于空间目标的距离；(5-2)根据第一至第五 激光测距传感器与空间目标的相对距离，结合步骤(3)得到的空间目标的 三维结构信息和三维运动参数，分别解算出第一至第五激光测距传感器与 空间目标的相对姿态角；(5-3)分别将第一至第五激光测距传感器与空间 目标的相对距离和相对姿态角加权平均，得到导航装置与空间目标的相对 距离和相对姿态角。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有 以下有益效果：

1、将可见光成像敏感器与红外成像敏感器结合，有效解决了单独使用 其中之一的导航方式存在的问题。首先，可见光成像敏感器能获取有光照 时空间目标的形态表观信息，其成像效果最接近人眼的视觉，因此可见光 图像上的信息是最直观，最感兴趣的。例如某些角点信息、边信息、拓扑 结构等，都是算法中主要依赖的形态特征。但是，当光照情况不理想，或 者没有光照的时候，可见光图像中包括的形态特征会不完整或者不存在， 在某些情况下，甚至会出现伪特征，给预处理和重建算法的实现带来困难。 本发明通过红外成像敏感器来弥补可见光成像敏感器的上述不足。空间目 标可能不在太阳光照射条件下，但是只要它在运转之中，其内部发动机和 处理器就会向外辐射热量，在红外相机上就会成像。而且，在有太阳光照 射的情况下，空间目标的向光一面和被光一面的温度不同，红外图像能反 映空间目标的某些姿态和表面特征，与可见光图像中的形态特征相辅相成。 其次，红外成像敏感器形成的红外图像清晰程度低，目标形态特征表达的 完整性低，特征提取难度大，本发明通过可见光成像敏感器形成的可见光 图像的明显形态特征来弥补红外图像的上述不足。

2、采用了双目可见光成像敏感器、双目红外成像敏感器和激光测距传 感器阵列进行组合导航的方式，结合光学成像敏感器组成的被动式测量方 式与激光测距传感器组成的主动式测量方式。其中，自主导航装置配备有 指向导引结构，双目可见光成像敏感器配备有扫描结构，自主导航装置的 指向导引结构可实现自主导航装置的视场范围的调整，有效解决了单目和 双目导航中存在的视场小、探测范围有限等问题，双目可见光成像敏感器 的扫描结构有效解决被动式测量的导航方式的遮挡等问题；对于激光测距 传感器组成的主动式测量方式，激光测距传感器阵列同时获取空间目标被 测表面上位于一个矩形面积内的五个特征点的距离信息，避免了扫描机构 存在的弊端，通过数据处理不仅得到目标卫星的距离参数还可以通过计算 拟合出被测区域的表面形态，特别是近距离时，可以分析出导航装置对接 口所在面相对于空间目标对接口所在面的实时距离信息和倾斜角度。

3、自主导航过程大致分为三个阶段：远距离段采用双目可见光成像敏 感器和双目红外成像敏感器组合的导航方式，近距离段采用双目可见光成 像敏感器、双目红外成像敏感器和激光测距传感器阵列组合的导航方式， 极近距离段采用激光测距传感器阵列的导航方式。在不同的距离采用不同 的元件进行数据测量，在远距离段和近距离段采用多种元件组合的导航方 式，保证了数据测量的精度，提高了导航效率，以及导航的安全性和可靠 性。

附图说明

图1是本发明实施例的超近距离自主导航装置的结构示意图；

图2是传感器子系统的结构示意图；

图3是本发明实施例的超近距离自主导航装置的硬件连接示意图；

图4是激光测距传感器阵列示意图；

图5是本发明实施例的超近距离自主导航方法的流程示意图；

图6是远距离段空间目标的检测定位流程图；

图7是近距离段空间目标的三维结构运动分析流程图；

图8是极近距离段获取导航装置与空间目标的相对距离和相对姿态角 的流程图；

图9是激光测距测角示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的超近距离自主导航装置包括：传感器子 系统、信息融合子系统、敏感器扫描结构和指向导引结构；其中，传感器 子系统安装在指向导引结构上。

如图2所示，传感器子系统包括第一和第二红外成像敏感器，第一和 第二可见光成像敏感器，以及第一至第五激光测距传感器。第一可见光成 像敏感器、第一红外成像敏感器、第一激光测距传感器、第二红外成像敏 感器和第二可见光成像敏感器依次设置在同一导轨上，第一可见光成像敏 感器和第一红外成像敏感器与第二红外成像敏感器和第二可见光成像敏感 器相对于第一激光测距传感器对称。第二至第五激光测距传感器到第一激 光测距传感器的距离相等，第二和第三激光测距传感器相对于导轨对称， 第四和第五激光测距传感器相对于导轨对称。

信息融合子系统包括红外信息处理板、可见光信息处理板和星务服务 器。如图3所示，第一和第二红外成像敏感器分别通过总线连接至红外信 息处理板，第一和第二可见光成像敏感器分别通过总线连接至可见光信息 处理板，第一至第五激光测距传感器分别连接至星务服务器；红外信息处 理板和可见光信息处理板分别通过总线连接至星务服务器。红外信息处理 板通过第一和第二红外成像敏感器实时采集双目红外图像，可见光信息处 理板通过第一和第二可见光成像敏感器实时采集双目可见光图像，星务服 务器通过第一至第五激光测距传感器采集激光数据(第一至第五激光测距 传感器相对于空间目标的距离)，并分别利用红外信息处理板和可见光信 息处理板处理双目红外图像和双目可见光图像，得到空间目标的三维结构 信息及姿态信息，结合处理激光数据得到的相对距离和倾角信息，发送使 传感器子系统进行姿态调整的控制指令。

敏感器扫描结构包括第一和第二旋转台，第一和第二可见光成像敏感 器分别安装在第一和第二旋转台上，第一和第二旋转台分别安装在导轨上。 第一和第二旋转台分别连接至星务服务器，通过星务服务器控制第一和第 二旋转台转动，使第一和第二可见光成像敏感器实现视场范围内的空间目 标扫描。

指向导引结构包括二自由度云台和云台伺服控制器。云台伺服控制器 连接至星务服务器，用于接收来自星务服务器的控制指令，控制二自由度 云台在两个自由度上进行姿态调整，从而使传感器子系统进行姿态调整。

首先，可见光成像敏感器能获取有光照时空间目标的形态表观信息， 其成像效果最接近人眼的视觉，因此可见光图像上的信息是最直观，最感 兴趣的，红外成像敏感器能弥补在光照情况不理想或者没有光照的情况下 可见光图像的形态特征不完整、不存在或出现伪特征的缺陷，上述装置将 可见光成像敏感器与红外成像敏感器结合，有效解决了单独使用其中之一 的导航方式存在的问题。其次，利用第一和第二可见光成像敏感器组成的 双目可见光成像敏感器，第一和第二红外成像敏感器组成的双目红外成像 敏感器，以及第一至第五激光测距传感器组成的激光测距传感器阵列，将 光学成像敏感器组成的被动式测量方式与激光测距传感器组成的主动式测 量方式结合，其中，自主导航装置配备有指向导引结构，双目可见光成像 敏感器配备有敏感器扫描结构，自主导航装置的指向导引结构能实现自主 导航装置的时长范围的调整，有效解决了单目和双目导航中存在的视场小、 探测范围有限等问题，双目可见光成像敏感器的敏感器扫描结构有效解决 了被动式测量的导航方式的遮挡等问题；对于激光测距传感器组成的主动 式测量方式，如图4所示，第一至第五激光测距传感器组成的激光测距传 感器阵列同时获取空间目标被测表面上位于一个矩形面积内的五个特征点 的距离信息，避免了扫描机构存在的弊端，通过数据处理不仅得到目标卫 星的距离参数还可以通过计算拟合出被测区域的表面形态，特别是近距离 时，可以分析出导航装置对接口所在面相对于空间目标对接口所在面的实 时距离信息和倾斜角度。

如图5所示，利用上述装置实现超近距离自主导航的方法包括如下步 骤：

(1)第一和第二红外成像敏感器采集双目红外图像，第一和第二可见 光成像敏感器采集双目可见光图像，利用双目红外图像和双目可见光图像， 检测并定位空间目标，得到导航装置与空间目标的相对距离。

(2)判断导航装置与空间目标的相对距离是否大于100m，是则将导 航装置向空间目标推进，返回步骤(1)；否则顺序执行步骤(3)。

(3)第一和第二红外成像敏感器采集双目红外图像，第一和第二可见 光成像敏感器采集双目可见光图像，第一至第五激光测距传感器采集激光 数据，利用双目红外图像、双目可见光图像和激光数据，得到空间目标的 三维结构信息、三维距离信息和三维运动参数。

(4)根据空间目标的三维距离信息，判断导航装置与空间目标的相对 距离是否大于20m，是则将导航装置向空间目标推进，返回步骤(3)；否 则顺序执行步骤(5)。

(5)第一至第五激光测距传感器采集激光数据，利用激光数据，结合 步骤(3)得到的空间目标的三维结构信息和三维运动参数，得到导航装置 与空间目标的相对距离和相对姿态角。

(6)判断导航装置与空间目标的相对姿态角是否为0，是则顺序执行 步骤(7)；否则调整导航装置的姿态，减小导航装置与空间目标的相对姿 态角，返回步骤(5)。

(7)将导航装置向空间目标推进。

(8)重复执行步骤(5)至(7)，直至导航装置到达空间目标，完成 相对导航过程。

如图6所示，上述步骤(1)进一步包括如下子步骤：

(1-1)第一和第二红外成像敏感器采集双目红外图像，第一和第二可 见光成像敏感器采集双目可见光图像，分别处理双目红外图像和双目可见 光图像，分割空间目标与背景，得到空间目标的感兴趣区域。

(1-2)提取空间目标轮廓，对空间目标轮廓进行跟踪，计算空间目标 轮廓的二维图形中心，得到空间目标轮廓中心在双目可见光图像的左可见 光图像和右可见光图像中的坐标分别为(U₁,V₁)和(U′₁,V′₁)，进而得到空间目标 在双目可见光图像中的中心坐标得到空间目标轮廓中心在 双目红外图像的左红外图像和右红外图像中的坐标分别为(U₂,V₂)和(U′₂,V′₂)， 进而得到空间目标在双目红外图像中的中心坐标根据 (U₁,V₁)和(U′₁,V′₁)重建出空间目标相对于导航装置的空间距离。

(1-3)计算空间目标在双目可见光图像中的中心坐标与成像平面中心 的距离，以及空间目标在双目红外图像中的中心坐标与成像平面中心的距 离，调整导航装置的姿态，使空间目标轮廓中心靠近成像平面中心区域。

(1-4)判断空间目标轮廓中心是否在成像平面中心区域，是则完成空 间目标的检测定位；否则重复执行步骤(1-1)至(1-3)，直至空间目标轮 廓中心落在成像平面中心区域。

如图7所示，上述步骤(3)进一步包括如下子步骤：

(3-1)第一和第二红外成像敏感器采集双目红外图像，第一和第二可 见光成像敏感器采集双目可见光图像，第一至第五激光测距传感器采集激 光数据。

(3-2)分别检测双目红外图像和双目可见光图像中的线段和角点特征， 得到双目红外图像中的特征点和双目可见光图像中的特征点。

(3-3)匹配双目红外图像的左红外图像和右红外图像中的特征点，匹 配双目可见光图像的左可见光图像和右可见光图像中的特征点，重建空间 目标的三维结构信息和三维距离信息。

(3-4)利用第一至第五激光测距传感器采集的激光数据校正重建的空 间目标的三维距离信息。

(3-5)第一和第二红外成像敏感器采集双目红外序列图像，第一和第 二可见光成像敏感器采集双目可见光序列图像，匹配双目红外序列图像的 左红外序列图像和右红外序列图像中的特征点，匹配双目可见光序列图像 的左可见光序列图像和右可见光序列图像中的特征点，得到空间目标的三 维运动参数。

如图8所示，上述步骤(5)进一步包括如下子步骤：

(5-1)第一至第五激光测距传感器分别测量其相对于空间目标的距离。

(5-2)根据第一至第五激光测距传感器与空间目标的相对距离，结合 步骤(3)得到的空间目标的三维结构信息和三维运动参数，分别解算出第 一至第五激光测距传感器与空间目标的相对姿态角，如图9所示。

(5-3)分别将第一至第五激光测距传感器与空间目标的相对距离和相 对姿态角加权平均，得到导航装置与空间目标的相对距离和相对姿态角。

上述自主导航过程大致分为三个阶段：远距离段采用双目可见光成像 敏感器和双目红外成像敏感器组合的导航方式，近距离段采用双目可见光 成像敏感器、双目红外成像敏感器和激光测距传感器阵列组合的导航方式， 极近距离段采用激光测距传感器阵列的导航方式。在不同的距离采用不同 的元件进行数据测量，在远距离段和近距离段采用多种元件组合的导航方 式，保证了数据测量的精度，提高了导航效率，以及导航的安全性和可靠 性。当自主导航装置通过双目红外成像敏感器和双目可见光成像敏感器检 测到距离100米范围内的空间目标时，启动第一至第五激光测距传感器组 成的激光测距传感器阵列进行测量，采用激光测距传感器阵列同时获取空 间目标被测表面上五个特征点的距离信息，通过数据处理不仅得到目标卫 星的距离参数还可以通过计算拟合出被测区域的表面形态，特别是近距离 时，可以分析出导航装置对接口所在面相对于空间目标对接口所在面的实 时距离信息和倾斜角度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。