基于特征光流信息的空间非合作目标相对位姿估计.pdf

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1、第32卷2015年第5期上海航天AER()SPACESHANGHAI文章编号：1006—1630(2015)05000906基于特征光流信息的空间非合作目标相对位姿估计程文华，姚红，张雅声(装备学院，北京101416)摘要：根据光流法基本原理，推导了用光流信息求解相对位姿估计的数学模型，提出了一种基于特征点光流信息的相对位姿估计算法。用Pov—Ray软件生成的序列图像验证了算法的可行性，并用STK软件生成的卫星视频验证了算法的可行性和准确性。关键词：空间非合作目标；光流法；相对位姿估计；特征点；光流信息中图分类号：V448．21文献标志码：A№eand舢titude

2、Estimati蚰forNon-C00perativeSpacecraftBasedonF切tureOptical川owCHENGWen—hua，YAOHong，ZHANGYa—sheng(TheAcademyofEquipment，Be巧ing101416，China)Abstract：Amathematicalmodelofrelativeposeandaltitudeestimationwasdeducedbasedonthebasicprincipleofopticalflowmethodinthispaper．Arelativeposeestimation

3、algorithmbasedonfeaturepointopticalflowinformationwasproposed．ThefeasibilityofthealgorithmwasverifiedbyusingimagesequencesPov—Raysoftware。ThefeasibilityandaccuracyofthealgorithmwereverifiedbyusingSTKsoftwaretogeneratethesateUitevideo．Keywords：Non-cooperativespacecraft；0pticalflow；Relat

4、iveposeandestimation；Feature；opticalflow0引言空间非合作目标未安装任何主动通信设备，其他飞行器不能依靠通信方式对其进行识别定位[1]。相对位姿估计是进行空间自主交会和空间在轨服务必不可少的前提。非合作目标无法通过通信方式传输其位姿信息，也无安装任何有助于辅助测量的标识模块，因此针对空间非合作目标的相对位姿估计主要采用光学手段。用光学手段对目标进行分析也称为视觉运动分析，主要包括基于特征的方法和基于光流的方法两种[2]。前者也被称为离散处理方法，通过提取相邻两帧或多帧图像特征，建立对应关系，并根据对应的特征求解运动信息和结构信息

5、；后者被称为连续处理方法。对光流法的研究源于20世纪50年代GIBSON等提出的运动结构(SFM)假设[3]。假设以心理学实验为基础，开创性地提出了收稿日期：2014—12一02；修回日期：201412—14基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(61304228)作者简介：程文华(1990)，男，硕士生，主要研究方向为非合作目标自主交会。从二维平面光流信息恢复三维空间运动信息和结构信息的假设，但在70年代末才由Ullman等给予验证n]。目前，光流法分为两类：一是以H～S法为代表的全局光流，二是以L—K方法为代表的局部光流口。6]。光流计算是研究图像灰度在时间

6、上的变化与景象中物体结构及其运动的关系，在计算机视觉和图像处理领域有重要的地位，在航天、军事、工业和医学领域应用广泛，如特种机器人视觉系统、空间目标跟踪、无人驾驶、气象云图分析、医学器官异常分析诊断等口。12I。光流计算是当前计算机视觉研究领域中的热点，但光流法主要用于运动目标识别，对相对位姿估计的研究较少，且主要是用于无人驾驶和无人机导航，在航天器的位姿估计的应用研究更少。本文对基于特征光流信息的空间非合作目标相对位姿估计进行了研究。1光流计算基本原理观察物体运动时，物体在人眼视网膜上形成一系列连续变化的图像信息称为光流m]。本文定义上海航天AERoSPACESH

7、ANGHAI第32卷2015年第5期光流为空间运动物体在观测成像面上的像素运动的瞬时速度，反映图像灰度在时间上的变化与景物中物体结构及其运动的关系。假设时刻￡，图像上(z，了)点处的灰度值为J(z，∥，f)。在时刻￡十△f，这点运动到(z+△z，y+△y)处，灰度值为，(z+△z，∥+△y，f+△￡)。由灰度一致性假设，有J(z，y，￡)一f(z+△z，∥+△∥，z+△￡)．(1)对式(1)右边进行泰勒展开，得j(z+△z，y+△岁，￡+△￡)一j(z，y，￡)+笔血+筹△y+秘+￡．(2)忽略高阶小项，且令J，一笔，L一蓦，I：一笺，联立式(1)、(2)，可得