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环目标相对位姿测量方法研究与实现

车颖斌  
【摘要】:一直以来,人类从未停止对太空的探索,近地航天活动日益增加,比如我国北斗卫星导航系统的建立,给人类的生活带来了巨大的便利,为全球经济和社会发展注入了全新的活力。然而频繁的近地航天活动也带来了一系列问题。由于地球同步轨道资源有限,而在这个轨道上失效的卫星,不仅造成了严重的经济损失,还占用了珍贵的轨道资源。对于这一战略性资源,以卫星维修、寿命延长和轨道垃圾清除为目的的在轨服务技术研究具有十分重要的意义,而航天器近距离相对导航技术是其中关键一环。近年来,图像处理和计算机视觉的研究成果在工商业领域内获得的成功应用,提高了人类的产能和生活质量。然而,由于空间探索有高风险、高成本和高可靠性的特点,一方面不能在轨提供等同于地面的算力和设备支持,使图像处理和计算机视觉的理论和方法在航天器导航定位领域的应用之间存在较大差距;另一方面,在近距离,视觉导航是唯一的相对导航方式。所以课题针对航天器上常见的环形目标相对位姿测量的若干关键问题展开研究,并根据课题实际应用背景,提出并实现了一套完整可行的视觉相对测量方案,以满足环目标相对位姿测量方法在实时性、精确性和稳定性上的要求。课题将环目标相对位姿测量分为远近两个阶段,分别使用基于环形目标边缘点的测量方法和基于环形目标物方点的检测方法,测量已知尺寸的环目标位姿。课题的研究内容有:1.在远距离阶段,能观察到完整的环目标成像,使用首帧检测加目标跟踪的方式检测位姿。对于首帧环目标成像检测,讨论了霍夫圆和四点共圆约束方法的稳定性;对于跟踪方法,讨论了模板匹配和划线边缘梯度法的实时性;对于边缘点检测方法,讨论了像素级别和基于高斯模型的亚像素级别检测方法的精确性;对于基于环形目标边缘点的位姿计算法方法,讨论了基于单圆的位置计算和环形建模检测方法的实时性。2.在近距离阶段,由于不能完全观察到完整的环目标成像,远距离阶段的测量方法不可行,基于此提出了圆环边缘点(物方点)的检测方法。对于环形目标物方点检测,讨论了基于标志物检测方法和基于线性结构光检测方法的适用性;对于基于环形目标物方点的位姿计算方法,使用多点拟合空间圆的方式进行计算;此外,论文还提出了一套简单易行的线性结构光标定方法,用于基于线性结构光的物方点检测。为了验证论文提出方案的可行性,设计并完成了若干组半物理仿真实验,验证了论文提出方案满足环目标相对位姿测量的实时性、精确性和稳定性。论文在环目标相对位姿测量研究的若干方法,是图像处理和计算机视觉在航天工程应用领域的一次探索。课题研究过程中的理论方法、数据资源、经验教训和实验结果将形成我国在轨服务任务上的技术积累。


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