發(fā)布時(shí)間：2020-02-13 16:28

【摘要】：在軌服務(wù)是增強(qiáng)航天器性能、延長(zhǎng)航天器壽命、降低費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)、減少?gòu)U舊航天器數(shù)量等的有效手段,針對(duì)被服務(wù)航天器的跟蹤、交會(huì)及�？康冉咏倏厥欠⻊�(wù)航天器需要具備的基本功能,自主精確地獲取被服務(wù)航天器的相對(duì)狀態(tài)信息則是實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)接近操控任務(wù)的前提條件。本論文在國(guó)家國(guó)防科工局民用航天“十二五”預(yù)研項(xiàng)目“×××在軌維護(hù)與服務(wù)技術(shù)研究”和中國(guó)航天科技集團(tuán)公司預(yù)研項(xiàng)目“×××在軌服務(wù)技術(shù)”等項(xiàng)目的資助下,面向非合作空間目標(biāo)精準(zhǔn)操控任務(wù),圍繞基于單目視覺的高精度相對(duì)位姿測(cè)量和目標(biāo)跟蹤控制等諸問題進(jìn)行深入理論研究,取得了如下創(chuàng)新性研究成果:基于目標(biāo)圖像的相對(duì)位姿解算算法是視覺敏感器的核心,針對(duì)利用被服務(wù)航天器自然特征導(dǎo)致的圖像特征提取和匹配粗大誤差問題,基于逆投影思想,給出了一種包含景深估計(jì)和絕對(duì)方位解算的兩階段迭代算法。該算法中景深變量的引入解決了由小孔成像投影所引起的非線性問題,確保了算法的全局收斂性;同時(shí),在絕對(duì)方位解算階段,通過對(duì)姿態(tài)矩陣非凸約束進(jìn)行凸松弛,將目標(biāo)函數(shù)最小化轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)MI約束下的最值求解問題,并利用內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行最優(yōu)求解,保證了迭代算法的全局收斂性,提高了算法的魯棒性和快速性,并利用全局性收斂性定理證明了其全局收斂性。最后,以在軌服務(wù)航天器接近操控任務(wù)為背景對(duì)該算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真,結(jié)果表明在特征點(diǎn)提取存在誤差影響情況下,算法具有較快的計(jì)算速度和良好的收斂性。針對(duì)單目視覺測(cè)量系統(tǒng)面臨的視線軸方向深度信息缺乏以及輸出頻率受限等問題,考慮與慣導(dǎo)設(shè)備在輸出頻率以及頻域內(nèi)誤差特性的互補(bǔ)性,分別在時(shí)域與頻域內(nèi)設(shè)計(jì)了視覺/IMU組合的多速率卡爾曼濾波和互補(bǔ)濾波算法。其中,多速率卡爾曼濾波器是以慣導(dǎo)傳感器采樣周圍為濾波周期,依據(jù)有無視覺信息決定在濾波時(shí)刻進(jìn)行時(shí)間更新或者量測(cè)更新,并利用量測(cè)信息對(duì)量測(cè)噪聲陣和狀態(tài)協(xié)方差陣進(jìn)行后驗(yàn)修正的一種估計(jì)方法,該濾波器能夠有效提高組合導(dǎo)航濾波器的數(shù)據(jù)更新頻率,改善濾波算法的性能;依據(jù)視覺與慣導(dǎo)頻域內(nèi)的不同噪聲特性,設(shè)計(jì)了一種互補(bǔ)濾波器,理論分析了互補(bǔ)濾波器的穩(wěn)定性,數(shù)學(xué)仿真表明互補(bǔ)濾波器能夠有效實(shí)現(xiàn)視覺與慣導(dǎo)頻率上的互補(bǔ),并能夠用于狀態(tài)快速變化過程中的狀態(tài)估計(jì)。最后,構(gòu)建了視覺/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)的參數(shù)化CRLB模型,分析了視覺與IMU相關(guān)參數(shù)對(duì)導(dǎo)航精度的影響,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。在軌接近操作中,將被服務(wù)航天器高精度穩(wěn)定在視覺相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)是服務(wù)航天器的基本功能之一。為此,將空間目標(biāo)像平面誤差引入跟蹤控制閉環(huán),提出了一種增益切換的空間目標(biāo)跟蹤PD控制律,由于直接使用目標(biāo)在相平面中的視覺特征誤差量,避免了視覺相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定和空間目標(biāo)位姿信息求解等過程,簡(jiǎn)化了服務(wù)航天器系統(tǒng)配置。該算法通過引入開關(guān)函數(shù)對(duì)PD增益進(jìn)行切換,提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及抗干擾性能。給出了控制器參數(shù)的估算方法,理論分析了增益切換PD控制律的收斂性。數(shù)學(xué)仿真表明能夠?qū)o止目標(biāo)、復(fù)雜機(jī)動(dòng)目標(biāo)以及考慮服務(wù)航天器典型不確定性因素等情況進(jìn)行快速跟蹤,驗(yàn)證了視覺跟蹤控制策略的有效性,以及對(duì)多類型不確定性的魯棒性�；跉飧≡淼暮教炱鬟\(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)能夠有效模擬在外層空間航天器所受小干擾的平移和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)力學(xué)環(huán)境,具有成本低、實(shí)施方便等優(yōu)勢(shì)。給出了空間操控技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)的總體方案,設(shè)計(jì)了服務(wù)航天器視覺測(cè)量與跟蹤控制物理仿真試驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行了相對(duì)導(dǎo)航視覺相機(jī)標(biāo)定,并開展了基于凸松弛優(yōu)化的單視位姿確定算法、視覺/IMU組合的多速率濾波算法、基于圖像信息的目標(biāo)跟蹤控制算法等物理仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了上述算法的可行性和有效性。
【圖文】：

圖1-2日本MicroLabSat衛(wèi)星

推進(jìn)、視覺測(cè)量和導(dǎo)航、衛(wèi)星的交會(huì)對(duì)接、多星編隊(duì)飛行等技術(shù)的飛行視覺測(cè)量和導(dǎo)航的應(yīng)用中，，通過子星上安裝的 CCD 光學(xué)傳感器對(duì)母星進(jìn)并將這些圖像傳給母星，由母星對(duì)這些圖像進(jìn)行處理，來獲得子星與母相對(duì)位姿[28]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V448.2

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本文編號(hào)：2579197