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基于结构光视觉的非合作目标位姿估计与三维重构研究

发布时间:2021-01-20 22:14
  人类在探索太空的过程中取得了出色的研究成果,但也留下许多太空垃圾。太空垃圾会与国际空间站,宇宙飞船和人造卫星等发生碰撞,存在极大的安全隐患。如何清理太空垃圾已经成为当今世界最重要,最广泛讨论的话题之一。可是,太空垃圾的运动状态与三维结构的未知性给空间机器人的清理工作带来了困难。因此,需要一定的方法获取它们的运动信息与结构信息。广大学者研究发现,基于视觉的位姿估计与三维重构技术是一种有效的解决方案。本课题采用结构光三维视觉系统对目标进行跟踪。首先介绍了普通的针孔成像模型,接着介绍了结构光深度相机的原理,建立了结构光三维视觉系统模型,推导了结构光三维视觉系统获取空间点三维坐标的方法。通过相机获得目标图像后,对图像进行预处理,包括图像二值化分割和形态学处理两个步骤。图像预处理完成后,需要获取目标表面的特征点。通过分析比较几种常用的特征提取算法的提取效果,最终选择了特征点分布最为均匀的SIFT算法。对于目标的跟踪问题,采用的是基于SIFT特征的金字塔LK光流跟踪法,实现前后帧目标特征点的匹配。为了实现跟踪的实时性,本课题使用处于运动状态的相机对目标进行跟踪。在分析比较多种基于视觉的测量方法后,... 

【文章来源】:哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】:81 页

【学位级别】:硕士

【部分图文】:

基于结构光视觉的非合作目标位姿估计与三维重构研究


基于激光雷达的非合作目标位姿估计与三维重构

序列,非合作目标,三维重构,位姿


建立了一种新的旋转运动因子。该因子将轨迹估计因子与姿态映射联系起来,用于目标质心的估计。将检测到的特征点转换到以目标质心为中心的固定框架下,完成目标的三维重构。该算法的有效性在国际空间站得到验证,实验平台如图 1-6 所示。麻省理工学院的 Brent E. Tweddle[22]等人提出了一种解决绕空间任意轴旋转的未知非合作目标 SLAM 问题的方法。该方法基于 iSAM 算法[23],建立了目标的运动学方程,动力学方程和观测方程,对目标的相关运动参数进行估计,并且完成了目标的三维点云重构。在国际空间站的微重力环境下,该方法在定向实验卫星平台上进行了验证。重庆大学的李正周[24]等人采用粒子滤波与最小二乘估计相结合的方法,用于非合作航天器相对运动测量。通过建立非合作航天器的动力学方程来表示其状态方程和更新方程,利用粒子滤波算法在序列红外图像的预测区域内对特征点进行匹配。最后利用最小二乘估计理论,通过求解特征点不匹配的最小误差估计旋转运动参数。实验表明,该算法估计的滚动运动对不同的旋转速度和特征提取噪声均具有较强的鲁棒性。不过,随着距离和转速的增大,算法的相对滚动估计误差也会明显增大。

二维图像,三维点云,深度相,结构光


c)三维点云图 2-3 结构光深度相机三维点云获取预处理分割深度相机得到的二维图像不仅包括目标本身,还包括存在会干扰目标特征点的提取,降低特征提取的效率标特征提取与跟踪之前,首先需要把目标从图像中分征点尽可能多得集中在目标本身。割的核心原理是图像二值化。通过多次测试后设置一中各像素点的灰度值转换为 0 或 255,使图像中只存,从而将目标从图像中提取出来。本课题在黑暗环境源作为干扰,目标本身与周围环境具有较大的色相差课题使用的是基于 HSV 空间的图像分割方法。

【参考文献】:
期刊论文
[1]一种用于图像特征提取的改进ORB-SLAM算法[J]. 张良桥,陈国良,许晓东,连达军,王睿.  测绘通报. 2019(03)
[2]基于序列图像的非合作目标自主导航及验证[J]. 王大轶,葛东明,史纪鑫,邓润然,朱卫红,邹元杰.  南京航空航天大学学报. 2018(06)
[3]非合作航天器自主相对导航研究综述[J]. 王大轶,胡启阳,胡海东,刘成瑞.  控制理论与应用. 2018(10)
[4]基于点云的非合作航天器位姿测量方法研究[J]. 桂力,郑顺义,曹姝清,刘宗明,陈赟.  上海航天. 2016(06)
[5]空间非合作目标三维形状与位姿成像测量技术研究[J]. 杜小平.  装备学院学报. 2016(01)
[6]最小二乘影像匹配算法的实现与研究[J]. 周时伦.  信息通信. 2013(04)
[7]采用惯性测量单元的移动机器人轨迹跟踪方法研究(英文)[J]. 张弛.  控制理论与应用. 2013(03)
[8]结构光编码方法综述[J]. 陈彦军,左旺孟,王宽全,吴秋峰.  小型微型计算机系统. 2010(09)
[9]美俄卫星太空碰撞事件及对航天活动的影响[J]. 龚自正,李明.  航天器环境工程. 2009(02)

硕士论文
[1]特征匹配与目标跟踪算法的研究[D]. 陈洁.南京邮电大学 2016
[2]基于立体视觉的非合作目标运动估计与结构估计方法研究[D]. 郭本生.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于双目立体视觉的深度感知技术研究[D]. 马源.北京理工大学 2015
[4]非合作相对位姿测量跟踪研究及设计[D]. 夏庆.哈尔滨工业大学 2014
[5]基于多传感器组合测量非合作目标的在轨操作研究[D]. 马宝林.国防科学技术大学 2012



本文编号:2989883

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