【摘要】：視覺測(cè)量作為航天器或空間機(jī)器人重要的感知方式,經(jīng)歷了遙操作監(jiān)視、合作目標(biāo)和半合作目標(biāo)測(cè)量的發(fā)展。而作為下一代空間任務(wù)支撐性技術(shù)的非合作目標(biāo)測(cè)量尚處于起步階段,面臨艱巨挑戰(zhàn)。由于非合作目標(biāo)無法提供用于位姿測(cè)量的相關(guān)信息,測(cè)量系統(tǒng)在魯棒性、適用范圍和計(jì)算能力等方面的需求明顯高于現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)。因此,本課題以在軌服務(wù)任務(wù)中非合作目標(biāo)測(cè)量需求為導(dǎo)向,針對(duì)視覺測(cè)量相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入研究,通過對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新和改進(jìn)實(shí)現(xiàn)了基于1D激光測(cè)距與單目視覺融合的非合作目標(biāo)測(cè)量方法。主要工作如下,首先,本課題建立了 1維激光與視覺組合測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,提出了非迭代的單張圖像相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定方法和一種快速魯棒的傳感器外參數(shù)標(biāo)定方法,兩種方法共同實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模型參數(shù)的快速魯棒標(biāo)定。與經(jīng)典方法相比,我們所提的相機(jī)標(biāo)定方法在相同標(biāo)定精度下有效提升了計(jì)算效率,而傳感器外參標(biāo)定方法有效降低了系統(tǒng)標(biāo)定的復(fù)雜度和提高了易用性。隨后,針對(duì)非合作目標(biāo)測(cè)量的需求,我們對(duì)現(xiàn)有算法進(jìn)行改進(jìn),分別提出了一種魯棒的多視圖初始化方法和一種高精度的魯棒位姿估計(jì)算法。初始化方法基于基礎(chǔ)矩陣約束通過隨機(jī)采樣一致性剔除誤匹配點(diǎn)的干擾,較現(xiàn)有算法明顯提高了計(jì)算效率和在復(fù)雜場(chǎng)景下的魯棒性。所提位姿估計(jì)算法的改進(jìn)保證了系統(tǒng)在較少追蹤點(diǎn)的情況下即可穩(wěn)定測(cè)量,一定程度上克服了非合作目標(biāo)缺乏顯著特征的問題。以上改進(jìn)均提升了系統(tǒng)的魯棒性和測(cè)量精度。對(duì)于激光與視覺融合的核心問題,我們提出了 1D激光距離信息和單目視覺信息在一般場(chǎng)景下的融合方法。通過恢復(fù)激光光斑周圍的目標(biāo)表面建立單點(diǎn)激光光斑與圖像稀疏特征點(diǎn)的關(guān)聯(lián),求解絕對(duì)尺度,實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)在歐氏空間的重建和位姿測(cè)量。并通過尺度估計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該融合方法的有效性和估計(jì)精度,為1D激光測(cè)距與單目視覺融合的測(cè)量方案建立了完整的理論支撐。此外,針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中誤差累積的問題,我們提出了基于融合后的尺度信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤差,并在必要時(shí)刻調(diào)整局部結(jié)果抑制尺度漂移的解決方法。該方法經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明,可以有效保證長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量過程中系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。同時(shí)構(gòu)建基于回環(huán)的全局位姿圖優(yōu)化問題,在大尺度上保證了系統(tǒng)的測(cè)量精度和適用性。在以上研究成果的基礎(chǔ)上,我們完成了數(shù)值仿真、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)、公開數(shù)據(jù)集實(shí)驗(yàn)、移動(dòng)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)等多組實(shí)驗(yàn),分析了本課題所提方法的性能。并從目標(biāo)特性的不同、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的差異、環(huán)境條件的改變等多個(gè)維度評(píng)估了所提方法的測(cè)量精度以及適用性,證實(shí)了基于激光與視覺融合的非合作目標(biāo)重建與位姿測(cè)量方法的可行性。為我國非合作目標(biāo)的在軌重建和測(cè)量提供了完整的技術(shù)思路。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP391.41;TN249
【圖文】：

“天空實(shí)驗(yàn)皇”上放障的太陽翼［５］；先后５次對(duì)哈勃空間翟遠(yuǎn)鏡（ＨＳＴ）的維修和逡逑保養(yǎng)從而使得叟遠(yuǎn)鏡的性能和可靠性顯著提升，如圖１．２ａ［６］；還有“和平號(hào)空間逡逑站”在１９８６年至２００１年服役１５年間的多次維修、更換設(shè)備和在軌裝配等任逡逑務(wù)逡逑⑷升級(jí)哈勃望遠(yuǎn)鏡邐（ｂ）邋ＲＲＭ機(jī)械臂操作示意圈逡逑圖１．２早期在軌服務(wù)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ａｓｔｒｏｎａｕｔｓ邋ｗｏｒｋ邋ｉｎ邋ｓｐａｃｅ．逡逑但考慮到宇航員出艙存在諸多限制［８］，遙操作機(jī)械臂的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。逡逑它可以通過視覺監(jiān)控目標(biāo)狀態(tài)，人工遠(yuǎn)距離操作完成簡(jiǎn)單任務(wù)。加拿大研制了人逡逑類航天史上第一個(gè)航天飛機(jī)機(jī)械臂系統(tǒng)邐ＳＲＭＳ（ｓｐａｃｅ邋ｓｈｕｔｔｌｅ邋ｒｅｍｏｔｅ邋ｍａｎｉｐｕｌａ－逡逑ｔｏｒ邋ｓｙｓｔｅｍ）［９］。如圖邋１．２ｂ所示，美國邋ＮＡＳＡ邋的邋ＲＲＭ邋任務(wù)（Ｒｏｂｏｔｉｃ邋Ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ邋Ｍｉｓｓｉｏｎ）逡逑２逡逑

的ＶＧＳ（Ｖｉｄｅｏ邋Ｇｕｉｄａｎｃｅ邋Ｓｅｎｓｏｒ）系統(tǒng)，在抓捕過程中采用合作目標(biāo)視覺測(cè)f埢袢″義匣當(dāng)勰┒擻肽浚Ｊ拘牽南嘍暈蛔�，引导操醉d鬧蔥校郟保叮蕁８孟低塵啻紊�，先辶x蝦笥τ糜冢櫻裕櫻福泛停櫻裕櫻梗檔雀帕吭諼�，茧H躚馗鍶繽跡保乘盡ｅ義洗送猓淥恍┕乙慚蟹⒘聳泳醪飭肯低�，染嚪洲在ＡＴＶ和｝x裕窒钅恐繡義鮮褂玫模鄭椋洌澹錚恚澹簦澹蠆飭肯低澈投礪匏溝模希牛酉低常郟保罰蕕�。我国遗撾惰�占浣換徨義隙越友兄屏撕獻(xiàn)髂勘瓴飭肯低�，该系统采訌涽动发光的韩I(xiàn)髂勘輳冢�？１６０ｍ范辶x希饒謔迪鄭椋艟鵲畝ㄎ緩?fù)测姿？，并灾G裰巰盜蟹紗胩旃越又械玫窖櫓ぃ郟保梗蕁ｅ義希保保蒼諮腥撾襝腫村義顯諍獻(xiàn)髂勘晡蛔瞬飭浚泳漲鞒墑斕南衷�，都s褐Ｐ突蠆糠中畔⒌腨"合逡逑作目＇標(biāo)測(cè)量技術(shù)己成為成為各航天強(qiáng)國角逐的：ｉ要領(lǐng)域。美國在該領(lǐng)域長(zhǎng)期處逡逑于前沿。早在ＨＳＴ的維護(hù)升級(jí)中就曾提ｍ若干基于半合作目標(biāo)的視覺測(cè)f埛藉義戲�，壤`勻惶卣魍枷袷侗鶿惴ǎǎ危疲桑遙郟擔(dān)鶯停眨蹋裕希遙垮澹校常牛叩�。ＤＡＰ＿b磷手隋義希沖義

本文編號(hào)：2803949