隨著人類對太空資源利用的不斷深化,近地空間存在著大量的太空垃圾潛在威脅航天器運行,空間軌道上的失效衛(wèi)星需要維修或移除。由于這些實際的在軌服務(wù)需求,空間非合作目標的捕獲具有重要的實際意義。在空間非合作目標捕獲技術(shù)中,視覺技術(shù)在其中扮演著重要的角色,視覺信息完成對機械臂控制、導(dǎo)航。機載相機對目標星的成像過程中,完成對目標星的運動分析、三維重建、位姿跟蹤以及抓捕位置的識別。各個步驟隨著抓捕系統(tǒng)與目標星的距離遠近依次進行、循序漸進,獲取的信息也越加豐富、精確。盡管近年來機械臂控制技術(shù)和計算機視覺測量技術(shù)都有了長足的進步,但如何實現(xiàn)對空間非合作目標的自主、智能抓捕任然是一個極具挑戰(zhàn)性的研究課題。尤其是考慮到空間中嚴苛多變的光照條件、復(fù)雜的電磁環(huán)境以及機載計算機處理器有限的計算能力,這些都對空間視覺技術(shù)相對于地面環(huán)境提出了更高的要求。本文根據(jù)單目、雙目視覺理論、多視圖幾何理論以及基于深度學(xué)習(xí)的目標檢測技術(shù),提出了一套基于不同距離的空間目標視覺測量檢測策略,并結(jié)合衛(wèi)星模型和實驗室現(xiàn)有設(shè)備開展了相關(guān)衛(wèi)星地面測量檢測實驗。本文首先對國內(nèi)外空間非合作目標抓捕策略和視覺技術(shù)的研究現(xiàn)狀、研究方法進行了詳細的分析,確定了基于視覺空間非合作目標抓捕的基本途徑,即確定了本文的基本研究路線和研究內(nèi)容,并在此基礎(chǔ)上根據(jù)相關(guān)理論搭建系統(tǒng)開展相關(guān)研究。為了在遠距離時初步確定衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)速度以判定抓捕任務(wù)的可行性,視覺系統(tǒng)開啟監(jiān)控模式。通過從單目相機中提取連續(xù)的衛(wèi)星圖像,通過奇異值分解和羅德里格斯公式計算衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)角度;為了在中距離時較為精確地對衛(wèi)星的相對位姿進行測量,引入立體視覺技術(shù),視覺系統(tǒng)開啟獲取模式。通過雙目相機測距并獲取衛(wèi)星稀疏點云,然后對相鄰點云做配準以得到相對位姿結(jié)果,最后對衛(wèi)星實現(xiàn)三維重建;在近距離時完成對衛(wèi)星上機械對接裝置的識別,以實現(xiàn)最后階段的對接任務(wù),視覺系統(tǒng)開啟跟蹤模式。通過基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的目標檢測方法,對衛(wèi)星上的太陽帆板連接架做高效可靠的檢測。最后開展相關(guān)實驗驗證上述理論算法的有效性及可靠性,根據(jù)得到的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果,可以判定所采用的方法有效解決了上述難點、問題。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V528;TP391.41
【部分圖文】：

題背景及研究的目的和意義題研究內(nèi)容源于軍委科技委 XXXX 重大項目。人類對外太空探索需求的不斷增加，空間技術(shù)的發(fā)展也迎來了新的例如空間站的建立和維修、在外空間進行貨物的搬運、衛(wèi)星的回收護、星球表面探測等工作會越來越多[1]。此外，人類頻繁的太空活動斥著大量太空垃圾，它們對將來的太空探索有較大的潛在威脅，如了減小故障或失效造成的損失，并有效保護軌道資源，各國正在研、生命延長及軌道垃圾清除為目的的在軌服務(wù)技術(shù)[2]。當前，空間在要由宇航員艙外作業(yè)完成，然而在環(huán)境極為惡劣的太空，需要為宇高昂的生命保障系統(tǒng)，宇航員艙外作業(yè)的靈活性與時間也因此受到外艙外作業(yè)的危險性也不容小覷。特別地對于高軌項目，航天飛機法將宇航員運送到如此高的軌道上，因此迫切需要機器人在太空中高效地完成在軌服務(wù)任務(wù)。

1.2 國內(nèi)外空間非合作目標抓捕研究現(xiàn)狀及分析1.2.1 國外研究現(xiàn)狀對于一般性的空間機器人抓捕任務(wù)而言，面對的對象為非合作目標。這也意味著衛(wèi)星上沒用專門用于抓捕和對接的機械裝置和視覺靶標，因此空間機器人在抓捕衛(wèi)星過程中必須具有一定的自主性和智能性。當前絕大部分空間非合作目標抓捕都還停留在地面試驗驗證階段。ETS-VII 是由日本開發(fā)的世界上第一個空間機器人，它率先完成了包括對接、目標抓捕、零件更換和抓捕阻抗控制等在軌服務(wù)任務(wù)[3]。ETS-VII 空間機器人裝備有一個六自由度的空間機械臂，地面控制人員可以通過遙操作在大時延情況下，控制空間機械臂完成軸孔對接拔除操作[4]。在該項目中，研究人員還完成了對空間機器人以及衛(wèi)星的姿態(tài)控制實驗。此外，日本還完成了針對國際空間站組裝的JEMRMS/SFA 機械臂項目，如圖 1-2 所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文歐洲航天局（ESA）開發(fā)了 ROGER（Robotic Geostationary Orbit Restorer）項目，該項目使用以機械手為末端執(zhí)行器的機械臂抓取衛(wèi)星太陽能帆板、三腳架等機械裝置，同時該項目也研究了將失效衛(wèi)星與太空垃圾移除軌道等軌道清除任務(wù)[5]。德國在衛(wèi)星在軌服務(wù)領(lǐng)域的研究一直處在歐洲前列，其中包括 GSV（GeostationaryService Vehicle）項目、CX-OLEV 項目、Smart-OLEV 項目、ESS 項目[6]等。其中德國宇航局（DLR）開展了著名的 DEOS 項目[7]。該項目開發(fā)了基于多傳感器融合的目標識別算法，以實現(xiàn)對目標衛(wèi)星的運動狀態(tài)預(yù)測，該項目致力于實現(xiàn)合作目標的抓捕對接、非合作翻滾目標智能抓捕和抓捕組合體的運動規(guī)劃。德國開發(fā)的部分在軌服務(wù)項目如圖 1-3 所示。

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 C.羅塞蒂,賀張;利用衛(wèi)星的全球通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)方案[J];世界導(dǎo)彈與航天;1988年07期

2 朱文耀,黃s

本文編號：2813816