【摘要】：隨著航天活動的日益頻繁,空間機(jī)械臂在航天器捕獲、空間交會對接和在軌設(shè)備維修等方面起著越來越重要的作用。為有效保證在軌服務(wù)任務(wù)的高效性和可靠性,采用視覺敏感器進(jìn)行目標(biāo)測量跟蹤對于空間機(jī)械臂執(zhí)行在軌任務(wù)具有重要的意義。空間機(jī)械臂機(jī)構(gòu)復(fù)雜、任務(wù)多樣,且在軌空間環(huán)境條件苛刻,傳統(tǒng)的定焦測量相機(jī)無法兼容空間機(jī)械臂工作空間覆蓋問題和目標(biāo)圖像像素分辨率不足問題。因此本研究采用空間變焦相機(jī)對空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器和合作目標(biāo)進(jìn)行位姿測量,以適應(yīng)多任務(wù)環(huán)境下空間機(jī)械臂的不同需求,同時滿足空間機(jī)械臂在軌位姿測量的高精度和實(shí)時性要求。本研究針對空間變焦相機(jī)在軌位姿測量所產(chǎn)生的若干關(guān)鍵問題展開,主要完成內(nèi)容如下:(1)針對變焦距視覺在軌位姿測量建模問題和標(biāo)志器參數(shù)設(shè)計(jì)問題,提出了基于空間變焦相機(jī)在軌測量模型的5點(diǎn)標(biāo)志器參數(shù)優(yōu)化方法。建立了變焦距視覺成像模型、空間坐標(biāo)測量模型和單目標(biāo)位姿求解模型;在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了空間機(jī)械臂的變焦距視覺測量模型,并基于該模型采用蒙特卡羅模擬方法對標(biāo)志器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過仿真實(shí)驗(yàn),評估了標(biāo)志器參數(shù)優(yōu)化方法對視覺測量精度的影響程度,結(jié)果表明,采用優(yōu)化參數(shù)的標(biāo)志器進(jìn)行位姿測量,其最大綜合測量誤差可減小到非優(yōu)化參數(shù)標(biāo)志器的60%。(2)針對空間變焦相機(jī)的在軌實(shí)時標(biāo)定問題,提出了內(nèi)外參數(shù)分離的兩步在軌標(biāo)定算法。對算法過程所需的坐標(biāo)系進(jìn)行了定義,并給出了相關(guān)的時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法;結(jié)合視覺測量與天體測量方法,建立了空間變焦相機(jī)恒星像點(diǎn)與歷元天球坐標(biāo)系的內(nèi)參數(shù)標(biāo)定算法模型;在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了空間變焦相機(jī)外參數(shù)求取的線性算法,進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)外參數(shù)的優(yōu)化迭代求解。最后進(jìn)行了空間變焦相機(jī)參數(shù)的標(biāo)定仿真實(shí)驗(yàn),評估了恒星像點(diǎn)提取誤差、經(jīng)緯度與圖像采樣時間誤差,以及恒星數(shù)量和焦距等因素對變焦相機(jī)參數(shù)標(biāo)定的影響。其中在恒星像點(diǎn)提取精度為0.1像素標(biāo)準(zhǔn)差且標(biāo)定用恒星數(shù)量不小于20顆時,變焦相機(jī)在焦距變化范圍內(nèi)均可達(dá)到0.005mm的焦距標(biāo)定精度和優(yōu)于4個像素的主點(diǎn)標(biāo)定精度。(3)針對如何利用空間機(jī)械臂動態(tài)特性對視覺標(biāo)記成像波門進(jìn)行快速處理的問題,提出了基于模型的視覺標(biāo)記成像波門實(shí)時預(yù)測算法。利用空間機(jī)械臂動力學(xué)模型,采用無跡卡爾曼濾波方法,建立了空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位姿預(yù)測模型;通過結(jié)合空間圓標(biāo)志點(diǎn)透視投影模型和誤差分析理論,建立了空間變焦相機(jī)標(biāo)志器圖像與空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器預(yù)測位姿的傳遞模型;在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)記成像波門的實(shí)時預(yù)測。通過仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器位姿預(yù)測過程的收斂性和波門特性,與未引入空間機(jī)械臂動態(tài)特性的傳統(tǒng)方法相比,本論文的波門預(yù)測方法標(biāo)志器像點(diǎn)不易溢出,且不易造成波門交疊,其設(shè)置準(zhǔn)確性高,圖像處理區(qū)域更小,有利于提高系統(tǒng)測量的實(shí)時性能。(4)對論文所提出的算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。建立了地面實(shí)驗(yàn)平臺;利用該平臺,對變焦相機(jī)的參數(shù)標(biāo)定算法、視覺標(biāo)志器參數(shù)優(yōu)化算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同時,采用優(yōu)化后的視覺標(biāo)志器對合作目標(biāo)與空間機(jī)械臂末端執(zhí)行器的相對位姿進(jìn)行了測量。通過以上實(shí)驗(yàn),對本論文算法的可行性與有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明了本論文所提出算法的有效性和正確性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V441;TP241

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2667301