基于立体视觉的航天器目标动态测试关键技术研究

发布时间：2020-07-23 04:51

【摘要】：在航天器测试过程中,火工品爆炸、星箭分离、太阳翼展开、天线展开、振动试验、冲击实验等方面涵盖了从低频到高频的动态位姿测试任务。选用一种合适的动态位姿测量方法,在实现被测目标空间运动状态下三维方向位姿信息绝对定位功能的同时,提高空间位姿测量精度是非常重要的。随着相机采样频率的不断提升和计算机处理速度不断变快,基于立体视觉的动态位姿测量方法凭借测量范围广、测量速度快、测量精度高、实时测量等显著优点,在低频和高频运动目标动态位姿测量方面被广泛运用。为提高大视场下航天器动态目标位姿测量的精度,本文结合立体视觉测量方法中摄像机标定、特征检测及匹配、三维重建等环节,展开了对基于立体视觉的航天器目标动态位姿精密测量关键技术的研究。相机标定作为大视场视觉测量最关键和基础的一步,为了保证相机标定精度,则需要使用大尺寸靶标。大尺寸靶标加工制造较为困难,且精度无法保证;而小靶标制造精度较高,但只能得到局部最优解。因此,在大视场测量下,在保证相机标定精度的前提下研究靶标尺寸占摄像机视场的最合适比例是至关重要的。本文通过一系列视场占比不同的平面棋盘格靶标和平面圆靶标的实验研究,得到平面靶标视场占比对标定精度的影响,在大视场保证相机标定精度的前提下选用最小尺寸的平面靶标提供了指导意义。针对多相机系统的标定难题,本文研究了基于多面立体靶标的多相机系统标定方法,每个相机仅需要各拍摄一副图像即可得到多相机系统内外参数,解决了目前多相机系统标定中使用一维标定物过程较为繁琐,使用三维或二维标定物时存在累积误差的问题。在特征检测环节,本文针对十字角点和圆特征在光线不足、背景与轮廓对比度不明显时较难提取等问题,改进了复杂测量现场下圆、角点等特征提取算法,在一定程度上提高了十字角点和圆特征检测的稳定性和精度。在三维重建环节,使用了考虑内外参多因素的基于立体视觉数学模型的三维重建方法。结合以上三个环节本文所做的研究工作,编写了基于MFC框架的动态位姿精密测量软件,具有相机标定、图像处理、数据分析等功能。为验证软件的精度及可靠性,本文进行了三次实验。第一次和第二次实验模拟航天器目标动态位姿测量现场环境,分别选用棋盘格角点和标准尺两端圆作为特征,使用高速相机进行拍摄,对不同位姿下图像特征进行三维重建并与约定真值相对比。实验结果显示,在相机测量视场达到4m×4m,测量距离4.5 m-8m时,利用软件对角点和圆特征重建的结果与约定真值间的绝对误差稳定在0.3mm以内。第三次实验将特征点张贴在振动台上,设置振动台产生频率为5Hz、幅值为10mm的标准正弦曲线。通过高速相机拍摄后利用软件对特征点进行三维重建,得到动态下特征点位移曲线。实验结果显示,软件得到的三维重建曲线与给定标准正弦曲线一致。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V416;TP391.41
【图文】：

实时测量等特点[4-8]。本文的研究内容对航天器目标的动了重要的理论指导及实用价值，为紧接而来的载人登月、“项的相继研制提供了助力。态位姿测量研究现状的发展，人们对大尺寸工件精密测量要求越来越高，精密准静态测量衍生到动态测量，动态位姿测量技术随之产生和船舶制造等领域得到广泛应用。航天器动态位姿测量属量技术，航天器位姿测量主要指几十厘米到米范围内航天测量，包含 XYZ 三个方向的平移量自由度和绕 XYZ 轴的研制过程中，尤其火工品爆炸、星箭分离、太阳翼展开、冲击实验等任务都只能动态下进行测量，动态位姿测量技着三维测量技术的快速发展，航天器目标动态测量手段和目前，航天器目标动态位姿测量常见方法和设备有如下几位姿测量

全站仪测角精度在 0.5”之内。在测量目标处于识别功能的马达驱动式全站仪通过内置的马达量。华教授团队利用两台或多台全站仪组成大尺空间目标点的三维坐标，并可根据测量结果进形位误差。MetroIn 系统已成功为航天器天线troIn 系统的三维点测量精度在 0.05mm 之内。全站仪为了提高测量频率，马达快速运动，马站仪动态位姿测量适用于被测目标低速动态位炸、振动试验、冲击实验等高速动态测量任务姿测量项综合激光干涉测距、光电检测、精密测量、[13]，激光跟踪仪适用于各尺寸被测物静态三

被测目标上特征进行跟踪测量，即可计算出被测物的位置和姿航空航天领域进行了广泛的应用[16-18]。但单个激光跟踪仪只能范围内进行测量，且每次只能测量一个点，若靶镜被遮挡则无，激光跟踪仪测量方法存在测量范围有限、测量效率较低的问开、振动试验中，在目标点上安装靶镜会影响被测目标自身动量精度。空间坐标测量技术PS 地球定位系统，室内空间坐标测量技术也可以实现大尺寸空间能。室内空间坐标测量技术使用红外发射器代替卫星的功能，高速旋转的扇形激光面，接收传感器根据发射器发出的光线时信号处理得到接收器在在发射器坐标系下的空间方位角。发射，当接收传感器接收至少两个发射器的光信号，即可根据空间接收传感器的空间三维坐标。目前，接收传感器的采样频率可

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