基于遗传算法的相对位姿确定方法

赵琳　张国启

【摘 要】针对空间非合作航天器之间接近操作过程中的相对位姿单目视觉確定问题，在充分利用目标航天器本身的特征结构信息的基础上，提出一种基于遗传算法的相对位姿求解方法。该方法结合逆投影原理构建的优化模型，将相对位姿的求解问题转化为非线性优化问题，再将其目标函数转化为只含有旋转角度的目标函数，然后采用对非线性优化问题求解优良的遗传算法进行解算，得到旋转角度进而求得旋转矩阵。最后对该算法进行数学仿真，仿真结果表明该方法的有效性和可靠性。

【Abstract】Aiming at the problem of relative pose determination using monocular vision in the near-space operation of space non-cooperative spacecraft， a method of relative pose solving using genetic algorithm is proposed by making full use of the feature structure information of target spacecraft. The method combines the inverse projection principle to construct an optimization model， and transforms the problem of relative pose into a nonlinear optimization problem. Then， the objective function is transformed into an objective function with only rotation angle. After that， the nonlinear genetic algorithm is used to solve the nonlinear optimization problem， and the rotation angle is obtained，and then the rotation matrix is obtained.Finally， the algorithm is mathematically simulated， and the simulation results show the validity and reliability of the proposed method.

【关键词】单目视觉；相对位姿；逆投影；非线性；遗传算法

【Keywords】monocular vision； relative pose； inverse projection； nonlinear； genetic algorithm

【中图分类号】TP15 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）06-0040-03

1 引言

空间航天器之间的交会对接是当前航天领域的一个重大课题，是载人航天工程的一项关键技术[1]。目前，视觉测量系统已大量应用到交会对接的最后逼近阶段[2]，利用在目标航天器上设置的特定光标点在摄像机中的投影，采用迭代方法解出航天器之间的相对姿态和位置。如Haralick等[3]提出一种基于点特征的相对位姿确定方法，张世杰等[4]提出一种基于逆投影思想的两阶段迭代算法。

综上，本文在前人构建的基于逆投影理论下的优化模型基础上，将遗传算法应用到姿态矩阵的求解，并验证其在解决此类问题上的可行性和稳定性。

2 单目视觉测量原理

相机成像模型是各视觉测量相关算法的基础，下面结合交会对接中的各坐标系和相机模型进行介绍。……