基于SLAM的非合作目标相对位姿测量研究

发布时间：2020-07-28 21:53

【摘要】：近年来,随着人类空间活动日益频繁,在轨航天器不断增多,空间失效航天器以及空间碎片带来的问题引起了各国广泛重视,它们不但占用了许多空间资源,还威胁着其他航天器的安全。与其他在轨航天器不同,它们的特点是不具备可协作的人工信标,且其形状、大小、转动角速度等信息完全未知。在这种情况下,无论是对故障航天器进行维修,还是对太空垃圾进行清理,首先要解决的关键问题即空间非合作目标的位姿测量问题。然而目前绝大多数非合作目标的测量方案仍需要已知部分先验信息,如非合作目标类型和部分几何特征,或者需要通过序列图像收集先完成对目标的建模。针对这种情况,本文考虑利用同步定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)方法来解决非合作目标相对位姿测量问题,设计测量方案的同时搭建地面实验平台完成仿真验证。论文的主要研究内容如下:首先,以在轨追踪航天器为基础构建了相对测量坐标体系,同时根据所用传感器,分析推导了测量模型,研究了相机以及惯性测量元件标定算法并完成对硬件的标定实验。在此基础上研究了现有SLAM算法框架,分析推导了视觉里程计算法并针对非合作目标周期运动的特点引入回环检测算法,利用数据集对算法进行了方法误差分析。其次在基于视觉的测量方法的基础上,针对空间非合作目标测量的特殊性给出了融合IMU的测量方案并分析了融合优势,设计实现了紧耦合的以单点RANSAC-EKF为基础的视觉惯性里程计算法,并进行了方法误差分析。最后,搭建了软硬件结合的仿真实验平台,利用转台和卫星缩比模型模拟非合作目标自旋运动,已标定的视觉惯性测量模组和计算机模拟追踪航天器,在计算机上实时完成测量算法运行,得到仿真结果。通过对转速、转角以及周期回环偏差的分析,进一步验证了前述测量算法的可用性。本文为空间非合作目标相对位姿测量提供一种新思路。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V52
【图文】：

快车,航天器,轨道,交会对接

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文外研究现状视觉的目标位姿测量研究现状目标觉的目标位姿测量是近年空间技术领域的研究热点。最早该技会对接中。美国、欧洲和日本在这方面的研究较早，并成功将视交会对接等空间任务当中。在阿波罗计划的交会对接系统中的逼近段使用摄像机为航天员航天员手动对接的基础上，近年重点研究自动测量对接系统，美案包含 GPS 和视频定位系统（VGS）[3,4]。当对接目标较远时，利逐渐接近目标；当与对接目标距离 50m 时，采用 VGS 进行目标VGS 需要在对接航天器上安装合作目标。其中美国的“轨道快验证了交会对接任务中使用视觉测量的可行性。

地图,相机,地图,椭球分布

技术研究现状AM经过三十余年的发展，已形成较为固定的理论框架的算法。如今，SLAM 技术开始逐渐被应用于移动域。目前根据使用图像特征点或使用整图信息分为感器的不同又可分为单目、双目以及 RGBD 相机方面，早期的 SLAM 实现是借助于滤波器[33-36]实量来存储相机位姿及地图点的三维坐标，然后通获得新的状态向量。在该领域 Davison 等首先提出实现了 StructurefromMotion 无法实现的实时性能，个稀疏的特征点地图。如图 1-2 所示，图中的椭球分布，其在某个方向上越长表示它在该方向上的不展的卡尔曼滤波器（Extended Kalman Filter，EKF化导致不确定性的问题，后续有学者将无迹卡尔曼UKF）[37,38]和粒子滤波（Particle Filter，PF）[39,40]引

地图,论文,工程硕士学位,实时响应

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文帧[41-43]的视觉 SLAM 逐渐发展起来，其中最具有代表性的是 ng and Mapping(PTAM)[42]，该论文提出一个简单有效的提取关键帧定位与创建地图分为两个独立的任务，在两个线程上进行。后来方法均采取这种前后端的框架，原因在于前端需要实时响应图像数则没有必要如此，只需在某些时刻与前端同步即可，这样做大大降低。

【参考文献】