基于视觉的卫星运动分析测量和目标检测研究
发布时间：2020-09-07 20:47
随着人类对太空资源利用的不断深化,近地空间存在着大量的太空垃圾潜在威胁航天器运行,空间轨道上的失效卫星需要维修或移除。由于这些实际的在轨服务需求,空间非合作目标的捕获具有重要的实际意义。在空间非合作目标捕获技术中,视觉技术在其中扮演着重要的角色,视觉信息完成对机械臂控制、导航。机载相机对目标星的成像过程中,完成对目标星的运动分析、三维重建、位姿跟踪以及抓捕位置的识别。各个步骤随着抓捕系统与目标星的距离远近依次进行、循序渐进,获取的信息也越加丰富、精确。尽管近年来机械臂控制技术和计算机视觉测量技术都有了长足的进步,但如何实现对空间非合作目标的自主、智能抓捕任然是一个极具挑战性的研究课题。尤其是考虑到空间中严苛多变的光照条件、复杂的电磁环境以及机载计算机处理器有限的计算能力,这些都对空间视觉技术相对于地面环境提出了更高的要求。本文根据单目、双目视觉理论、多视图几何理论以及基于深度学习的目标检测技术,提出了一套基于不同距离的空间目标视觉测量检测策略,并结合卫星模型和实验室现有设备开展了相关卫星地面测量检测实验。本文首先对国内外空间非合作目标抓捕策略和视觉技术的研究现状、研究方法进行了详细的分析,确定了基于视觉空间非合作目标抓捕的基本途径,即确定了本文的基本研究路线和研究内容,并在此基础上根据相关理论搭建系统开展相关研究。为了在远距离时初步确定卫星的旋转速度以判定抓捕任务的可行性,视觉系统开启监控模式。通过从单目相机中提取连续的卫星图像,通过奇异值分解和罗德里格斯公式计算卫星的旋转角度;为了在中距离时较为精确地对卫星的相对位姿进行测量,引入立体视觉技术,视觉系统开启获取模式。通过双目相机测距并获取卫星稀疏点云,然后对相邻点云做配准以得到相对位姿结果,最后对卫星实现三维重建;在近距离时完成对卫星上机械对接装置的识别,以实现最后阶段的对接任务,视觉系统开启跟踪模式。通过基于深度学习技术的目标检测方法,对卫星上的太阳帆板连接架做高效可靠的检测。最后开展相关实验验证上述理论算法的有效性及可靠性,根据得到的实验数据和结果,可以判定所采用的方法有效解决了上述难点、问题。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V528;TP391.41
【部分图文】：
题背景及研究的目的和意义题研究内容源于军委科技委 XXXX 重大项目。人类对外太空探索需求的不断增加，空间技术的发展也迎来了新的例如空间站的建立和维修、在外空间进行货物的搬运、卫星的回收护、星球表面探测等工作会越来越多[1]。此外，人类频繁的太空活动斥着大量太空垃圾，它们对将来的太空探索有较大的潜在威胁，如了减小故障或失效造成的损失，并有效保护轨道资源，各国正在研、生命延长及轨道垃圾清除为目的的在轨服务技术[2]。当前，空间在要由宇航员舱外作业完成，然而在环境极为恶劣的太空，需要为宇高昂的生命保障系统，宇航员舱外作业的灵活性与时间也因此受到外舱外作业的危险性也不容小觑。特别地对于高轨项目，航天飞机法将宇航员运送到如此高的轨道上，因此迫切需要机器人在太空中高效地完成在轨服务任务。
1.2 国内外空间非合作目标抓捕研究现状及分析1.2.1 国外研究现状对于一般性的空间机器人抓捕任务而言，面对的对象为非合作目标。这也意味着卫星上没用专门用于抓捕和对接的机械装置和视觉靶标，因此空间机器人在抓捕卫星过程中必须具有一定的自主性和智能性。当前绝大部分空间非合作目标抓捕都还停留在地面试验验证阶段。ETS-VII 是由日本开发的世界上第一个空间机器人，它率先完成了包括对接、目标抓捕、零件更换和抓捕阻抗控制等在轨服务任务[3]。ETS-VII 空间机器人装备有一个六自由度的空间机械臂，地面控制人员可以通过遥操作在大时延情况下，控制空间机械臂完成轴孔对接拔除操作[4]。在该项目中，研究人员还完成了对空间机器人以及卫星的姿态控制实验。此外，日本还完成了针对国际空间站组装的JEMRMS/SFA 机械臂项目，如图 1-2 所示。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文欧洲航天局（ESA）开发了 ROGER（Robotic Geostationary Orbit Restorer）项目，该项目使用以机械手为末端执行器的机械臂抓取卫星太阳能帆板、三脚架等机械装置，同时该项目也研究了将失效卫星与太空垃圾移除轨道等轨道清除任务[5]。德国在卫星在轨服务领域的研究一直处在欧洲前列，其中包括 GSV（GeostationaryService Vehicle）项目、CX-OLEV 项目、Smart-OLEV 项目、ESS 项目[6]等。其中德国宇航局（DLR）开展了著名的 DEOS 项目[7]。该项目开发了基于多传感器融合的目标识别算法，以实现对目标卫星的运动状态预测，该项目致力于实现合作目标的抓捕对接、非合作翻滚目标智能抓捕和抓捕组合体的运动规划。德国开发的部分在轨服务项目如图 1-3 所示。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V528;TP391.41
【部分图文】：
题背景及研究的目的和意义题研究内容源于军委科技委 XXXX 重大项目。人类对外太空探索需求的不断增加，空间技术的发展也迎来了新的例如空间站的建立和维修、在外空间进行货物的搬运、卫星的回收护、星球表面探测等工作会越来越多[1]。此外，人类频繁的太空活动斥着大量太空垃圾，它们对将来的太空探索有较大的潜在威胁，如了减小故障或失效造成的损失，并有效保护轨道资源，各国正在研、生命延长及轨道垃圾清除为目的的在轨服务技术[2]。当前，空间在要由宇航员舱外作业完成，然而在环境极为恶劣的太空，需要为宇高昂的生命保障系统，宇航员舱外作业的灵活性与时间也因此受到外舱外作业的危险性也不容小觑。特别地对于高轨项目，航天飞机法将宇航员运送到如此高的轨道上，因此迫切需要机器人在太空中高效地完成在轨服务任务。
1.2 国内外空间非合作目标抓捕研究现状及分析1.2.1 国外研究现状对于一般性的空间机器人抓捕任务而言，面对的对象为非合作目标。这也意味着卫星上没用专门用于抓捕和对接的机械装置和视觉靶标，因此空间机器人在抓捕卫星过程中必须具有一定的自主性和智能性。当前绝大部分空间非合作目标抓捕都还停留在地面试验验证阶段。ETS-VII 是由日本开发的世界上第一个空间机器人，它率先完成了包括对接、目标抓捕、零件更换和抓捕阻抗控制等在轨服务任务[3]。ETS-VII 空间机器人装备有一个六自由度的空间机械臂，地面控制人员可以通过遥操作在大时延情况下，控制空间机械臂完成轴孔对接拔除操作[4]。在该项目中，研究人员还完成了对空间机器人以及卫星的姿态控制实验。此外，日本还完成了针对国际空间站组装的JEMRMS/SFA 机械臂项目，如图 1-2 所示。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文欧洲航天局（ESA）开发了 ROGER（Robotic Geostationary Orbit Restorer）项目，该项目使用以机械手为末端执行器的机械臂抓取卫星太阳能帆板、三脚架等机械装置，同时该项目也研究了将失效卫星与太空垃圾移除轨道等轨道清除任务[5]。德国在卫星在轨服务领域的研究一直处在欧洲前列，其中包括 GSV（GeostationaryService Vehicle）项目、CX-OLEV 项目、Smart-OLEV 项目、ESS 项目[6]等。其中德国宇航局（DLR）开展了著名的 DEOS 项目[7]。该项目开发了基于多传感器融合的目标识别算法，以实现对目标卫星的运动状态预测，该项目致力于实现合作目标的抓捕对接、非合作翻滚目标智能抓捕和抓捕组合体的运动规划。德国开发的部分在轨服务项目如图 1-3 所示。
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本文编号：2813816
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