本文關(guān)鍵詞：非合作航天器位姿在軌測(cè)量方法的研究

  更多相關(guān)文章： 非合作目標(biāo) 位姿在軌測(cè)量 P4P算法 卡爾曼濾波

【摘要】：隨著太空活動(dòng)日益頻繁,研究以清理軌道垃圾、維修故障衛(wèi)星以及為服役航天器添加燃料等為目的的在軌服務(wù)技術(shù)越來越重要,這些任務(wù)的對(duì)象大多為非合作目標(biāo)。在軌服務(wù)任務(wù)中很重要的環(huán)節(jié)是實(shí)施非合作目標(biāo)位姿的測(cè)量,以滿足超近距離交會(huì)階段追蹤航天器對(duì)目標(biāo)航天器觀測(cè)、對(duì)接與捕獲的需要。非合作目標(biāo)位姿的測(cè)量涉及兩個(gè)主要過程,一是特征結(jié)構(gòu)的識(shí)別,二是特征結(jié)構(gòu)和攝像機(jī)位置關(guān)系的確定。傳統(tǒng)的非合作目標(biāo)位姿測(cè)量系統(tǒng)在特征結(jié)構(gòu)識(shí)別過程中,大多通過下載圖片到地面遙控端,采用人工選取參考點(diǎn)的方式獲得目標(biāo)特征點(diǎn)信息,在相對(duì)位姿解算過程中,大多利用雙目視覺系統(tǒng),需經(jīng)過復(fù)雜的立體匹配和三維重建等步驟才能確定目標(biāo)航天器和追蹤航天器之間的位姿關(guān)系。這類測(cè)量系統(tǒng)在識(shí)別過程中涉及到人的手動(dòng)參與,無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自主識(shí)別,且在圖片傳播的過程中引入了大量的時(shí)延,導(dǎo)致系統(tǒng)很不穩(wěn)定。除此之外,基于雙目視覺的目標(biāo)姿態(tài)重建過程算法復(fù)雜,計(jì)算量大,系統(tǒng)運(yùn)行效率低。基于傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)存在的缺點(diǎn),本文針對(duì)非合作航天器上的兩種典型部件(太陽能帆板三角架和圓形星箭對(duì)接環(huán)),從識(shí)別技術(shù)到測(cè)量算法,提出了一套完整的基于單目視覺的非合作目標(biāo)相對(duì)位姿在軌測(cè)量方案。并設(shè)計(jì)了基于地面平臺(tái)的仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)的有效性。本文主要研究的工作如下： 首先,針對(duì)太陽能帆板三角架特征結(jié)構(gòu),提出一種基于滑動(dòng)窗口Hough變化的三角架檢測(cè)算法(SWHC):利用三角形內(nèi)切圓心到三遍距離相等這一特性,選取滑動(dòng)窗口遍歷圖像,找到符合該特性的三條直線段及其圍成三角形的中心,再判斷三角形中心點(diǎn)和三邊的位置關(guān)系,最終確定目標(biāo)三角形,并通過在Matlab上的仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了SWHC算法的可行性；針對(duì)圓形星箭對(duì)接環(huán)部件,提出基于雙Hough變化的橢圓檢測(cè)算法：利用橢圓上任意一點(diǎn)的切線方向與其中心對(duì)稱的另一點(diǎn)的切線方向相同這一特性,找出橢圓上切線方向相同的兩點(diǎn),并定位這兩點(diǎn)之間的線段中點(diǎn)為橢圓的中心,并通過對(duì)CMOS攝像機(jī)所采集的圖像的目標(biāo)檢測(cè),驗(yàn)證了橢圓檢測(cè)算法的有效性。 其次,針對(duì)相對(duì)位姿的解算問題,利用特征結(jié)構(gòu)檢測(cè)部分提取到的共面特征點(diǎn)信息,將基于單目視覺相對(duì)位姿的求解轉(zhuǎn)化為經(jīng)典P4P問題,并針對(duì)傳統(tǒng)P4P求解算法存在的數(shù)值不穩(wěn)定、存在幾何奇異等問題,引入PST方法對(duì)P4P問題進(jìn)行了求解,確定了攝像機(jī)坐標(biāo)系和目標(biāo)航天器本體坐標(biāo)系之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,PST算法在整個(gè)求解過程中不涉及非線性迭代,求解效率高。 然后,提出了基于Rodrigues參數(shù)的目標(biāo)相對(duì)狀態(tài)確定算法(PR),并結(jié)合卡爾曼濾波,建立基于Rodrigues參數(shù)的擴(kuò)展卡爾曼相對(duì)狀態(tài)估計(jì)算法(PREKF)模型,對(duì)P4P的求解結(jié)果做進(jìn)一步濾波處理,通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)算法進(jìn)行有效性分析,證明了PR算法與PREKF算法能夠很好地解決Rodrigues參數(shù)的奇異問題,定位精度高,能夠?yàn)樵谲壏⻊?wù)任務(wù)的執(zhí)行提供精確的相對(duì)位姿信息基礎(chǔ)。 最后,搭建了地面仿真演示實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)文中提出的特征結(jié)構(gòu)檢測(cè)、P4P位姿解算、PREKF卡爾曼濾波等算法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,證明了算法的可行性與準(zhǔn)確性,完成了非合作航天器相對(duì)位姿測(cè)量結(jié)果的分析。
【關(guān)鍵詞】：非合作目標(biāo) 位姿在軌測(cè)量 P4P算法 卡爾曼濾波
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V448;TP391.41
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 研究背景與意義10
• 1.2 相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析10-18
• 1.2.1 在軌服務(wù)技術(shù)研究現(xiàn)狀10-15
• 1.2.2 非合作航天器特征結(jié)構(gòu)識(shí)別的研究現(xiàn)狀15-17
• 1.2.3 非合作航天器位姿測(cè)量系統(tǒng)研究現(xiàn)狀分析17-18
• 1.3 論文研究?jī)?nèi)容和組織結(jié)構(gòu)18-20
• 第二章 非合作航天器的特征結(jié)構(gòu)檢測(cè)20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 攝像機(jī)成像及其標(biāo)定20-25
• 2.2.1 測(cè)量系統(tǒng)中各坐標(biāo)系的定義20-21
• 2.2.2 攝像機(jī)成像原理21-23
• 2.2.3 攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)23-25
• 2.3 特征檢測(cè)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)25-26
• 2.4 三角架特征結(jié)構(gòu)的檢測(cè)26-30
• 2.4.1 基本原理26-28
• 2.4.2 檢測(cè)步驟28-29
• 2.4.3 檢測(cè)結(jié)果29-30
• 2.5 圓形星箭對(duì)接環(huán)的檢測(cè)30-33
• 2.5.1 基本原理30-32
• 2.5.2 檢測(cè)步驟32
• 2.5.3 檢測(cè)結(jié)果32-33
• 2.6 本章小結(jié)33-34
• 第三章 非合作航天器位姿測(cè)量方法的研究34-47
• 3.1 引言34-35
• 3.2 基于P4P算法的相對(duì)位姿求解35-39
• 3.2.1 P4P算法簡(jiǎn)述35
• 3.2.2 P4P問題線性求解35-36
• 3.2.3 利用PST算法求解P4P問題36-38
• 3.2.4 基于P4P算法的位姿解算結(jié)果38-39
• 3.3 基于卡爾曼濾波的視覺相對(duì)位姿估計(jì)39-46
• 3.3.1 基于Rodrigues參數(shù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)靜態(tài)確定39-41
• 3.3.2 基于卡爾曼濾波的視覺相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)估計(jì)41-43
• 3.3.3 非合作航天器相對(duì)位姿估計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)43-46
• 3.4 本章小結(jié)46-47
• 第四章 非合作航天器測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究47-59
• 4.1 仿真演示實(shí)驗(yàn)環(huán)境與目標(biāo)光學(xué)特性分析47-48
• 4.1.1 仿真演示實(shí)驗(yàn)環(huán)境分析47
• 4.1.2 非合作目標(biāo)光學(xué)特性分析47-48
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)48-53
• 4.2.1 DS1-D1312高分辨攝像機(jī)50-51
• 4.2.2 嫦娥二號(hào)探月衛(wèi)星模型51
• 4.2.3 激光跟蹤儀51-53
• 4.3 實(shí)驗(yàn)過程53-55
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析55-58
• 4.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果56-57
• 4.4.2 誤差分析57-58
• 4.5 本章小結(jié)58-59
• 第五章 總結(jié)和展望59-61
• 參考文獻(xiàn)61-64
• 附錄1 PST算法的推導(dǎo)64-67
• 附錄2 Rodrigues參數(shù)切換67-69
• 附錄3 位姿估計(jì)方程的線性化69-72
• 致謝72-73
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果73

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1129579