【摘要】：近年來,隨著人類空間活動日益頻繁,在軌航天器不斷增多,空間失效航天器以及空間碎片帶來的問題引起了各國廣泛重視,它們不但占用了許多空間資源,還威脅著其他航天器的安全。與其他在軌航天器不同,它們的特點是不具備可協(xié)作的人工信標(biāo),且其形狀、大小、轉(zhuǎn)動角速度等信息完全未知。在這種情況下,無論是對故障航天器進(jìn)行維修,還是對太空垃圾進(jìn)行清理,首先要解決的關(guān)鍵問題即空間非合作目標(biāo)的位姿測量問題。然而目前絕大多數(shù)非合作目標(biāo)的測量方案仍需要已知部分先驗信息,如非合作目標(biāo)類型和部分幾何特征,或者需要通過序列圖像收集先完成對目標(biāo)的建模。針對這種情況,本文考慮利用同步定位與建圖(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)方法來解決非合作目標(biāo)相對位姿測量問題,設(shè)計測量方案的同時搭建地面實驗平臺完成仿真驗證。論文的主要研究內(nèi)容如下:首先,以在軌追蹤航天器為基礎(chǔ)構(gòu)建了相對測量坐標(biāo)體系,同時根據(jù)所用傳感器,分析推導(dǎo)了測量模型,研究了相機(jī)以及慣性測量元件標(biāo)定算法并完成對硬件的標(biāo)定實驗。在此基礎(chǔ)上研究了現(xiàn)有SLAM算法框架,分析推導(dǎo)了視覺里程計算法并針對非合作目標(biāo)周期運動的特點引入回環(huán)檢測算法,利用數(shù)據(jù)集對算法進(jìn)行了方法誤差分析。其次在基于視覺的測量方法的基礎(chǔ)上,針對空間非合作目標(biāo)測量的特殊性給出了融合IMU的測量方案并分析了融合優(yōu)勢,設(shè)計實現(xiàn)了緊耦合的以單點RANSAC-EKF為基礎(chǔ)的視覺慣性里程計算法,并進(jìn)行了方法誤差分析。最后,搭建了軟硬件結(jié)合的仿真實驗平臺,利用轉(zhuǎn)臺和衛(wèi)星縮比模型模擬非合作目標(biāo)自旋運動,已標(biāo)定的視覺慣性測量模組和計算機(jī)模擬追蹤航天器,在計算機(jī)上實時完成測量算法運行,得到仿真結(jié)果。通過對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角以及周期回環(huán)偏差的分析,進(jìn)一步驗證了前述測量算法的可用性。本文為空間非合作目標(biāo)相對位姿測量提供一種新思路。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V52
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文外研究現(xiàn)狀視覺的目標(biāo)位姿測量研究現(xiàn)狀目標(biāo)覺的目標(biāo)位姿測量是近年空間技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。最早該技會對接中。美國、歐洲和日本在這方面的研究較早，并成功將視交會對接等空間任務(wù)當(dāng)中。在阿波羅計劃的交會對接系統(tǒng)中的逼近段使用攝像機(jī)為航天員航天員手動對接的基礎(chǔ)上，近年重點研究自動測量對接系統(tǒng)，美案包含 GPS 和視頻定位系統(tǒng)（VGS）[3,4]。當(dāng)對接目標(biāo)較遠(yuǎn)時，利逐漸接近目標(biāo)；當(dāng)與對接目標(biāo)距離 50m 時，采用 VGS 進(jìn)行目標(biāo)VGS 需要在對接航天器上安裝合作目標(biāo)。其中美國的“軌道快驗證了交會對接任務(wù)中使用視覺測量的可行性。

技術(shù)研究現(xiàn)狀A(yù)M經(jīng)過三十余年的發(fā)展，已形成較為固定的理論框架的算法。如今，SLAM 技術(shù)開始逐漸被應(yīng)用于移動域。目前根據(jù)使用圖像特征點或使用整圖信息分為感器的不同又可分為單目、雙目以及 RGBD 相機(jī)方面，早期的 SLAM 實現(xiàn)是借助于濾波器[33-36]實量來存儲相機(jī)位姿及地圖點的三維坐標(biāo)，然后通獲得新的狀態(tài)向量。在該領(lǐng)域 Davison 等首先提出實現(xiàn)了 StructurefromMotion 無法實現(xiàn)的實時性能，個稀疏的特征點地圖。如圖 1-2 所示，圖中的橢球分布，其在某個方向上越長表示它在該方向上的不展的卡爾曼濾波器（Extended Kalman Filter，EKF化導(dǎo)致不確定性的問題，后續(xù)有學(xué)者將無跡卡爾曼UKF）[37,38]和粒子濾波（Particle Filter，PF）[39,40]引

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文幀[41-43]的視覺 SLAM 逐漸發(fā)展起來，其中最具有代表性的是 ng and Mapping(PTAM)[42]，該論文提出一個簡單有效的提取關(guān)鍵幀定位與創(chuàng)建地圖分為兩個獨立的任務(wù)，在兩個線程上進(jìn)行。后來 方法均采取這種前后端的框架，原因在于前端需要實時響應(yīng)圖像數(shù)則沒有必要如此，只需在某些時刻與前端同步即可，這樣做大大降低。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 郝剛濤;杜小平;宋建軍;;空間翻滾非合作目標(biāo)相對位姿估計的視覺SLAM方法[J];宇航學(xué)報;2015年06期

2 朱仁璋;王鴻芳;叢云天;邱慧;王冉;;中外交會對接技術(shù)比較研究[J];航天器工程;2013年03期

3 苗錫奎;朱楓;郝穎明;吳清瀟;夏仁波;;基于太陽能帆板部件的空間非合作飛行器視覺位姿測量方法[J];高技術(shù)通訊;2013年04期

4 高宗余;方建軍;于麗杰;;MEMS傳感器隨機(jī)誤差A(yù)llan方差分析[J];儀器儀表學(xué)報;2011年12期

5 周建平;;載人航天交會對接技術(shù)[J];載人航天;2011年02期

6 徐文福;劉宇;梁斌;李成;強文義;;非合作航天器的相對位姿測量[J];光學(xué)精密工程;2009年07期

7 高學(xué)海;徐科軍;張瀚;劉曉麗;;基于單目視覺和激光測距儀的位姿測量算法[J];儀器儀表學(xué)報;2007年08期

8 張世杰;曹喜濱;陳閩;;非合作航天器間相對位姿的單目視覺確定算法[J];南京理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2006年05期

9 林來興;美國“軌道快車”計劃中的自主空間交會對接技術(shù)[J];國際太空;2005年02期

10 馬婷婷 ,魏晨曦;空間交會對接概述[J];中國航天;2004年07期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 洪裕珍;空間非合作目標(biāo)的單目視覺姿態(tài)測量技術(shù)研究[D];中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所;2017年

2 陳龍;輔助視覺中的圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D];西安電子科技大學(xué);2013年

3 張永亮;面向非合作目標(biāo)的自主空間飛行器圖像信息處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 任行行;空間交會接近視覺測量方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

本文編號：2773486