在空間在軌服務和空基攻防領域中,對空間非合作目標的運動估計和三維結構感知尤為重要,但由于空間非合作目標與追蹤器之間沒有信息交互,因此對空間非合作目標運動估計和三維結構測量一直是一個難題。激光雷達作為一種非接觸式的主動探測技術,能夠在對空間非合作目標的繞飛觀測過程中精確、快速的獲取目標物體的三維信息,并完成相對導航。近年來我國的空基激光雷達技術發(fā)展迅猛,激光雷達在未來幾年中將用于在軌空間非合作目標的運動估計和三維重建。本文開展基于激光雷達的空間非合作目標三維重建與運動特性識別技術研究,主要工作如下:（1）首先,對激光雷達工作過程進行仿真。對激光雷達測距原理進行分析,建立激光雷達在空間導航中所用到的坐標系,描述觀測數(shù)據(jù)到該坐標系的轉換關系,給出激光雷達的掃描方式和主要的幾何參數(shù),分析激光雷達的運動畸變形成機理,構建激光雷達掃描仿真系統(tǒng)。對生成的非合作目標衛(wèi)星模型進行網(wǎng)格化處理,網(wǎng)格化數(shù)據(jù)作為模型數(shù)據(jù)輸入到仿真系統(tǒng)中,模擬激光雷達環(huán)繞空間非合作目標飛行時,激光雷達掃描仿真系統(tǒng)的仿真效果。（2）其次,開展基于激光雷達的空間非合作目標運動特性識別方法研究。針對傳統(tǒng)點云ICP匹配算法對初值敏感的問... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：66 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

服務衛(wèi)星抓捕目標示意圖

TriDAR[9][10]系統(tǒng)是由美國和加拿大合力開發(fā)針對的非合作目標進行自主導航系統(tǒng)，該該視覺導航系統(tǒng)采用激光雷達測距中的三角測量與脈沖測距結合的方法，實現(xiàn)了一種新型的目標三維信息的獲取方式[11]，能夠實時提供追蹤器從中距離接近目標過程中的6自由度的位姿信息。不過該系統(tǒng)的順利運行還需要提供目標航天器的部分已知結構信息，為點云匹配提供一定的參照。但若是追蹤器相對目標的運動速度過快，運動畸變對掃描點云的質(zhì)量影響變大，則難以做到精確的匹配，從而實現(xiàn)位姿的追蹤。德國航天局最早在1994年左右提出了“實驗服務衛(wèi)星”(ESS)項目，對早期發(fā)射的故障衛(wèi)星進行在軌維修，預計使用衛(wèi)星搭載的立體視覺相機與激光雷達對目標衛(wèi)星的發(fā)動機噴嘴進行觀測，分析相對運動。實際上該計劃未能實現(xiàn)應用，于是2007年，德國航天局又提出了“德國軌道服務計劃”(DeutscheOrbitaleServicingMission，DEOS)，對在軌服務的相關技術進行在軌驗證，其視覺導航系統(tǒng)安裝在機械臂末端，具體是立體相機加上光源組成的視覺導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自主完成導航[12]。圖1-2DEOS任務硬件模型歐洲提出了SMART-OLEV[13]計劃(SmartOrbitalExtensionVehicle)，預計捕獲地球同步軌道上的失效衛(wèi)星與太空垃圾。該計劃的視覺導航系統(tǒng)包括針對近距離目標觀測的立體視覺相機和照明系統(tǒng)，在目標距離5米內(nèi)使用。系統(tǒng)將圖像數(shù)據(jù)傳回到地面控制中心進行運動特性識別，并在遙控導引下接近目標。

圖1-3SMART-OLEV概念圖日本宇航局(JAXA)在2006年進行了隼鳥號(Hayabusa)的小行星探測任務中用到激光雷達對小行星進行觀測和定位，但由于激光雷達的失效以及臨時開發(fā)的視覺導航算法的不完善，導致著陸失敗[14]。于是日本宇航局在同年利用“在軌可視化環(huán)境模擬裝置”對空間非合作目標導航算法開展地面實驗[15]，實驗主要是用立體視覺算法對目標進行三維重建，在根據(jù)三維模型和觀測數(shù)據(jù)的匹配關系估計運動模型。圖1-4隼鳥2號小行星探測器示意圖在我國，徐文福等[20]在2010年提出使用雙目相機測量空間非合作目標的運動姿態(tài)，通過檢測和提取圖像中目標的邊緣信息識別出衛(wèi)星目標的帆板信息，將帆板進行三維重構，對重構的三維模型建立坐標系，從而完成對空間非合作目標的姿態(tài)識別。王盈等[20]在2016年提出一種針對空間非合作目標在軌激光雷達成像仿真流程，提出將模型進行網(wǎng)格化，并根據(jù)模型網(wǎng)格面元的在激光射線方向的投影判斷激光是否掃描到目標。王立等[22]在2019年對單目相機圖像進行MSER特征提取，估計空間非合作目標在圖像中的投影，從而計算目標的相對旋轉速率。李榮華等[23]在2020年提出了一種基于激光雷達點云的空間失穩(wěn)目標的畸變矯正和三維重建方法，通過對激光雷達點云進行精確匹配從而實

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]三維激光掃描重建技術探討與分析[D]. 沈劍.東華理工大學 2012



本文編號：3445489