基于點云的非合作航天器自主識別與位姿估計研究
發(fā)布時間：2021-11-06 22:56
隨著空間技術的飛速發(fā)展,越來越多的航天器發(fā)射升空,空間在軌服務也成為各個國家研究的熱點。在軌服務包括航天器的延壽保養(yǎng)、故障衛(wèi)星的維修回收、空間垃圾的清理離軌,是保證航天任務順利進行,維護空間環(huán)境的關鍵。目前在軌的航天器大多是非合作目標,針對非合作航天器的自主識別與位姿估計是完成空間在軌服務的前提與基礎。本文首先比較視覺測量與激光測量的優(yōu)缺點,確定使用激光雷達作為傳感器來獲取非合作航天器點云信息。針對獲取的點云信息,對比均勻網格法、曲率采樣法、柵格重心法三種點云精簡方法,確定使用柵格重心法來壓縮點云數據,減輕星載計算機內存壓力。對比基于半徑的濾波方法與基于統(tǒng)計的濾波方法,確定使用基于統(tǒng)計的濾波方法來濾除點云中的噪聲,為后續(xù)操作提供高質量數據。針對非合作航天器沒有安裝合作標識器與抓持機構的特點,研究無需先驗信息的非合作航天器自主識別方法。首先介紹點云的法向量并對比主流法向量估計方法,采用基于平面擬合的加權協(xié)方差法向量估計方法來構建點云拓撲關系,為后續(xù)特征識別、配準定姿做準備。介紹傳統(tǒng)RANSAC算法的基本原理,采用結合法向量的RANSAC算法作為識別的基本方案。分析非合作航天器的幾何特征,...
【文章來源】：南京航空航天大學江蘇省 211工程院校
【文章頁數】：99 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
Phoenix計劃示意圖
圖 1.1 Phoenix 計劃示意圖FREND(Front-end Robotics Enabling Near-term Demonstration)計劃[13-15]旨在開發(fā)一種用于價值太空目標交會對接、捕獲的自主系統(tǒng)。該計劃包括用于抓捕的七自由度空間機器人系統(tǒng)及用于位姿測量、相對導航的傳感器系統(tǒng)。FREND 系統(tǒng)通過識別并測量抓捕對象上的星箭對環(huán)來完成航天器目標的捕獲。FREND 計劃基于多目視覺方案，當服務航天器逼近目標 100 米內，位姿測量系統(tǒng)從二十多個相機中挑選三個最優(yōu)位置的相機，進行圖像的獲取并計算位姿當服務航天器運動至目標 1.5 米以內，裝載在機械臂上的手眼相機開始工作，來識別并計算標航天器抓捕位置的相對位姿，指引七自由度機械臂完成最終的捕獲。
標自主交會對接與相對導航。TriDAR 系統(tǒng)包括基于三角測量原理的激光相機和掃描式激光雷達，激光相機系統(tǒng)由在軌吊臂探測系統(tǒng)(OBSS, Orbit Boom Sensor System)中的 LCS 系統(tǒng)實現(xiàn)。位姿估計系統(tǒng)應用 ICP 算法來配準航天器已知模型信息和空間探測到的三維點云信息完成相對位置姿態(tài)的測量。表 1.1 是根據文獻[16-18]總結的 TriDAR 系統(tǒng)的精度指標。由表中數據可得，在服務航天器還在較遠的距離時，目標就在視場中占據了很大的區(qū)域，因此姿態(tài)角配準精度更高，由于雷達的測距精度較差，所以位置配準的精度相對于最后的逼近階段要低。表 1.1 TriDAR 系統(tǒng)測量指標System Distance/m Frequency/Hz Position Accuracy/m Pose Accuracy/mPulsed LiDAR ≤100 2 ≤0.12 ≤0.36LCS ≥0.50 2 ≤0.01 ≤1.00到 2012 年，TriDAR 系統(tǒng)已經成功應用到了哈勃望遠鏡的離軌任務。同時，TriDAR 也成功的在 STS-128,131,135 等三次“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機任務中完成了驗證，TriDAR 還成功的用于美國“飛蛾座”航天器，完成了與空間站的交會對接。圖 1.3 顯示了在 STS-128 任務中 TriDAR 系統(tǒng)掃描到的不同距離下的國際空間站的點云圖像[19]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于方法庫的點云去噪與精簡算法[J]. 李仁忠,楊曼,冉媛,張緩緩,景軍鋒,李鵬飛. 激光與光電子學進展. 2018(01)
[2]基于立體視覺的空間非合作航天器相對位姿自主測量[J]. 楊寧,申景詩,張建德,賈蘊,王楨. 光學精密工程. 2017(05)
[3]基于激光雷達的航天器相對位姿測量技術[J]. 劉玉,陳鳳,王盈,黃建明,魏祥泉. 紅外與激光工程. 2016(08)
[4]“鳳凰”計劃關鍵技術及其啟示[J]. 陳羅婧,郝金華,袁春柱,傅丹膺. 航天器工程. 2013(05)
[5]空間機器人非合作航天器在軌服務研究進展[J]. 梁斌,杜曉東,李成,徐文福. 機器人. 2012(02)
[6]凝視成像三維激光雷達噪聲分析[J]. 周琴,張秀達,胡劍,嚴惠民. 中國激光. 2011(09)
[7]基于激光掃描技術的三維模型重建[J]. Nguyen Tien Thanh,劉修國,王紅平,于明旭,周文浩. 激光與光電子學進展. 2011(08)
[8]激光雷達的測距特性及其測距精度研究[J]. 姜海嬌,來建成,王春勇,李振華. 中國激光. 2011(05)
[9]地球靜止軌道在軌服務技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 梁斌,徐文福,李成,劉宇. 宇航學報. 2010(01)
[10]空間機器人捕獲非合作目標的測量與規(guī)劃方法[J]. 徐文福,梁斌,李成,劉宇. 機器人. 2010(01)
碩士論文
[1]基于三角測量法的激光位移傳感器的研究[D]. 賈琦.長春理工大學 2014
本文編號：3480679
【文章來源】：南京航空航天大學江蘇省 211工程院校
【文章頁數】：99 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
Phoenix計劃示意圖
圖 1.1 Phoenix 計劃示意圖FREND(Front-end Robotics Enabling Near-term Demonstration)計劃[13-15]旨在開發(fā)一種用于價值太空目標交會對接、捕獲的自主系統(tǒng)。該計劃包括用于抓捕的七自由度空間機器人系統(tǒng)及用于位姿測量、相對導航的傳感器系統(tǒng)。FREND 系統(tǒng)通過識別并測量抓捕對象上的星箭對環(huán)來完成航天器目標的捕獲。FREND 計劃基于多目視覺方案，當服務航天器逼近目標 100 米內，位姿測量系統(tǒng)從二十多個相機中挑選三個最優(yōu)位置的相機，進行圖像的獲取并計算位姿當服務航天器運動至目標 1.5 米以內，裝載在機械臂上的手眼相機開始工作，來識別并計算標航天器抓捕位置的相對位姿，指引七自由度機械臂完成最終的捕獲。
標自主交會對接與相對導航。TriDAR 系統(tǒng)包括基于三角測量原理的激光相機和掃描式激光雷達，激光相機系統(tǒng)由在軌吊臂探測系統(tǒng)(OBSS, Orbit Boom Sensor System)中的 LCS 系統(tǒng)實現(xiàn)。位姿估計系統(tǒng)應用 ICP 算法來配準航天器已知模型信息和空間探測到的三維點云信息完成相對位置姿態(tài)的測量。表 1.1 是根據文獻[16-18]總結的 TriDAR 系統(tǒng)的精度指標。由表中數據可得，在服務航天器還在較遠的距離時，目標就在視場中占據了很大的區(qū)域，因此姿態(tài)角配準精度更高，由于雷達的測距精度較差，所以位置配準的精度相對于最后的逼近階段要低。表 1.1 TriDAR 系統(tǒng)測量指標System Distance/m Frequency/Hz Position Accuracy/m Pose Accuracy/mPulsed LiDAR ≤100 2 ≤0.12 ≤0.36LCS ≥0.50 2 ≤0.01 ≤1.00到 2012 年，TriDAR 系統(tǒng)已經成功應用到了哈勃望遠鏡的離軌任務。同時，TriDAR 也成功的在 STS-128,131,135 等三次“發(fā)現(xiàn)”號航天飛機任務中完成了驗證，TriDAR 還成功的用于美國“飛蛾座”航天器，完成了與空間站的交會對接。圖 1.3 顯示了在 STS-128 任務中 TriDAR 系統(tǒng)掃描到的不同距離下的國際空間站的點云圖像[19]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于方法庫的點云去噪與精簡算法[J]. 李仁忠,楊曼,冉媛,張緩緩,景軍鋒,李鵬飛. 激光與光電子學進展. 2018(01)
[2]基于立體視覺的空間非合作航天器相對位姿自主測量[J]. 楊寧,申景詩,張建德,賈蘊,王楨. 光學精密工程. 2017(05)
[3]基于激光雷達的航天器相對位姿測量技術[J]. 劉玉,陳鳳,王盈,黃建明,魏祥泉. 紅外與激光工程. 2016(08)
[4]“鳳凰”計劃關鍵技術及其啟示[J]. 陳羅婧,郝金華,袁春柱,傅丹膺. 航天器工程. 2013(05)
[5]空間機器人非合作航天器在軌服務研究進展[J]. 梁斌,杜曉東,李成,徐文福. 機器人. 2012(02)
[6]凝視成像三維激光雷達噪聲分析[J]. 周琴,張秀達,胡劍,嚴惠民. 中國激光. 2011(09)
[7]基于激光掃描技術的三維模型重建[J]. Nguyen Tien Thanh,劉修國,王紅平,于明旭,周文浩. 激光與光電子學進展. 2011(08)
[8]激光雷達的測距特性及其測距精度研究[J]. 姜海嬌,來建成,王春勇,李振華. 中國激光. 2011(05)
[9]地球靜止軌道在軌服務技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 梁斌,徐文福,李成,劉宇. 宇航學報. 2010(01)
[10]空間機器人捕獲非合作目標的測量與規(guī)劃方法[J]. 徐文福,梁斌,李成,劉宇. 機器人. 2010(01)
碩士論文
[1]基于三角測量法的激光位移傳感器的研究[D]. 賈琦.長春理工大學 2014
本文編號：3480679
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