基于主被动融合的非合作目标重建与位姿测量研究
发布时间：2020-08-25 16:54
【摘要】：视觉测量作为航天器或空间机器人重要的感知方式,经历了遥操作监视、合作目标和半合作目标测量的发展。而作为下一代空间任务支撑性技术的非合作目标测量尚处于起步阶段,面临艰巨挑战。由于非合作目标无法提供用于位姿测量的相关信息,测量系统在鲁棒性、适用范围和计算能力等方面的需求明显高于现有测量技术。因此,本课题以在轨服务任务中非合作目标测量需求为导向,针对视觉测量相关技术进行了深入研究,通过对关键技术的创新和改进实现了基于1D激光测距与单目视觉融合的非合作目标测量方法。主要工作如下,首先,本课题建立了 1维激光与视觉组合测量系统的数学模型,提出了非迭代的单张图像相机内参数标定方法和一种快速鲁棒的传感器外参数标定方法,两种方法共同实现了系统模型参数的快速鲁棒标定。与经典方法相比,我们所提的相机标定方法在相同标定精度下有效提升了计算效率,而传感器外参标定方法有效降低了系统标定的复杂度和提高了易用性。随后,针对非合作目标测量的需求,我们对现有算法进行改进,分别提出了一种鲁棒的多视图初始化方法和一种高精度的鲁棒位姿估计算法。初始化方法基于基础矩阵约束通过随机采样一致性剔除误匹配点的干扰,较现有算法明显提高了计算效率和在复杂场景下的鲁棒性。所提位姿估计算法的改进保证了系统在较少追踪点的情况下即可稳定测量,一定程度上克服了非合作目标缺乏显著特征的问题。以上改进均提升了系统的鲁棒性和测量精度。对于激光与视觉融合的核心问题,我们提出了 1D激光距离信息和单目视觉信息在一般场景下的融合方法。通过恢复激光光斑周围的目标表面建立单点激光光斑与图像稀疏特征点的关联,求解绝对尺度,实现了目标在欧氏空间的重建和位姿测量。并通过尺度估计实验验证了该融合方法的有效性和估计精度,为1D激光测距与单目视觉融合的测量方案建立了完整的理论支撑。此外,针对长时间测量中误差累积的问题,我们提出了基于融合后的尺度信息监测系统误差,并在必要时刻调整局部结果抑制尺度漂移的解决方法。该方法经过实验证明,可以有效保证长时间测量过程中系统的测量精度和稳定性。同时构建基于回环的全局位姿图优化问题,在大尺度上保证了系统的测量精度和适用性。在以上研究成果的基础上,我们完成了数值仿真、高精度转台实验、公开数据集实验、移动平台实验等多组实验,分析了本课题所提方法的性能。并从目标特性的不同、运动状态的差异、环境条件的改变等多个维度评估了所提方法的测量精度以及适用性,证实了基于激光与视觉融合的非合作目标重建与位姿测量方法的可行性。为我国非合作目标的在轨重建和测量提供了完整的技术思路。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TN249
【图文】：
“天空实验皇”上放障的太阳翼［５］；先后５次对哈勃空间翟远镜（ＨＳＴ）的维修和逡逑保养从而使得叟远镜的性能和可靠性显著提升，如图１．２ａ［６］；还有“和平号空间逡逑站”在１９８６年至２００１年服役１５年间的多次维修、更换设备和在轨装配等任逡逑务逡逑⑷升级哈勃望远镜逦（ｂ）邋ＲＲＭ机械臂操作示意圈逡逑图１．２早期在轨服务逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ａｓｔｒｏｎａｕｔｓ邋ｗｏｒｋ邋ｉｎ邋ｓｐａｃｅ．逡逑但考虑到宇航员出舱存在诸多限制［８］，遥操作机械臂的应用优势逐渐显现。逡逑它可以通过视觉监控目标状态，人工远距离操作完成简单任务。加拿大研制了人逡逑类航天史上第一个航天飞机机械臂系统逦ＳＲＭＳ（ｓｐａｃｅ邋ｓｈｕｔｔｌｅ邋ｒｅｍｏｔｅ邋ｍａｎｉｐｕｌａ－逡逑ｔｏｒ邋ｓｙｓｔｅｍ）［９］。如图邋１．２ｂ所示，美国邋ＮＡＳＡ邋的邋ＲＲＭ邋任务（Ｒｏｂｏｔｉｃ邋Ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ邋Ｍｉｓｓｉｏｎ）逡逑２逡逑
的ＶＧＳ（Ｖｉｄｅｏ邋Ｇｕｉｄａｎｃｅ邋Ｓｅｎｓｏｒ）系统，在抓捕过程中采用合作目标视觉测f埢袢″义匣当勰┒擞肽浚Ｊ拘牵南喽晕蛔耍疾僮鞯闹葱校郏保叮荨８孟低尘啻紊叮儒义虾笥τ糜冢樱裕樱福泛停樱裕樱梗档雀帕吭谖瘢际跹馗锶缤迹保乘尽ｅ义洗送猓渌恍┕乙惭蟹⒘耸泳醪饬肯低常缗分拊冢粒裕趾停龋裕窒钅恐绣义鲜褂玫模郑椋洌澹铮恚澹簦澹虿饬肯低澈投砺匏沟模希牛酉低常郏保罚莸取Ｎ夜舱攵钥占浣换徨义隙越友兄屏撕献髂勘瓴饬肯低常孟低巢捎弥鞫⒐獾暮献髂勘辏冢玻浚保叮埃矸跺义希饶谑迪郑椋艟鹊亩ㄎ缓筒庾耍浚⒃谏裰巯盗蟹纱胩旃越又械玫窖橹ぃ郏保梗荨ｅ义希保保苍谘腥挝裣肿村义显诤献髂勘晡蛔瞬饬浚泳涨鞒墒斓南衷冢约褐Ｐ突虿糠中畔⒌腨"合逡逑作目＇标测量技术己成为成为各航天强国角逐的：ｉ要领域。美国在该领域长期处逡逑于前沿。早在ＨＳＴ的维护升级中就曾提ｍ若干基于半合作目标的视觉测f埛藉义戏ǎ缱匀惶卣魍枷袷侗鹚惴ǎǎ危疲桑遥郏担莺停眨蹋裕希遥垮澹校常牛叩取＃模粒校遥磷手隋义希冲义
本文编号：2803949
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TN249
【图文】：
“天空实验皇”上放障的太阳翼［５］；先后５次对哈勃空间翟远镜（ＨＳＴ）的维修和逡逑保养从而使得叟远镜的性能和可靠性显著提升，如图１．２ａ［６］；还有“和平号空间逡逑站”在１９８６年至２００１年服役１５年间的多次维修、更换设备和在轨装配等任逡逑务逡逑⑷升级哈勃望远镜逦（ｂ）邋ＲＲＭ机械臂操作示意圈逡逑图１．２早期在轨服务逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ａｓｔｒｏｎａｕｔｓ邋ｗｏｒｋ邋ｉｎ邋ｓｐａｃｅ．逡逑但考虑到宇航员出舱存在诸多限制［８］，遥操作机械臂的应用优势逐渐显现。逡逑它可以通过视觉监控目标状态，人工远距离操作完成简单任务。加拿大研制了人逡逑类航天史上第一个航天飞机机械臂系统逦ＳＲＭＳ（ｓｐａｃｅ邋ｓｈｕｔｔｌｅ邋ｒｅｍｏｔｅ邋ｍａｎｉｐｕｌａ－逡逑ｔｏｒ邋ｓｙｓｔｅｍ）［９］。如图邋１．２ｂ所示，美国邋ＮＡＳＡ邋的邋ＲＲＭ邋任务（Ｒｏｂｏｔｉｃ邋Ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ邋Ｍｉｓｓｉｏｎ）逡逑２逡逑
的ＶＧＳ（Ｖｉｄｅｏ邋Ｇｕｉｄａｎｃｅ邋Ｓｅｎｓｏｒ）系统，在抓捕过程中采用合作目标视觉测f埢袢″义匣当勰┒擞肽浚Ｊ拘牵南喽晕蛔耍疾僮鞯闹葱校郏保叮荨８孟低尘啻紊叮儒义虾笥τ糜冢樱裕樱福泛停樱裕樱梗档雀帕吭谖瘢际跹馗锶缤迹保乘尽ｅ义洗送猓渌恍┕乙惭蟹⒘耸泳醪饬肯低常缗分拊冢粒裕趾停龋裕窒钅恐绣义鲜褂玫模郑椋洌澹铮恚澹簦澹虿饬肯低澈投砺匏沟模希牛酉低常郏保罚莸取Ｎ夜舱攵钥占浣换徨义隙越友兄屏撕献髂勘瓴饬肯低常孟低巢捎弥鞫⒐獾暮献髂勘辏冢玻浚保叮埃矸跺义希饶谑迪郑椋艟鹊亩ㄎ缓筒庾耍浚⒃谏裰巯盗蟹纱胩旃越又械玫窖橹ぃ郏保梗荨ｅ义希保保苍谘腥挝裣肿村义显诤献髂勘晡蛔瞬饬浚泳涨鞒墒斓南衷冢约褐Ｐ突虿糠中畔⒌腨"合逡逑作目＇标测量技术己成为成为各航天强国角逐的：ｉ要领域。美国在该领域长期处逡逑于前沿。早在ＨＳＴ的维护升级中就曾提ｍ若干基于半合作目标的视觉测f埛藉义戏ǎ缱匀惶卣魍枷袷侗鹚惴ǎǎ危疲桑遥郏担莺停眨蹋裕希遥垮澹校常牛叩取＃模粒校遥磷手隋义希冲义
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