基于CMOS相机的微卫星数字式太阳敏感器研究

发布时间：2017-04-05 11:09

  本文关键词：基于CMOS相机的微卫星数字式太阳敏感器研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 太阳敏感器是航天姿态控制系统中的重要测量部件,是在航天领域应用最广泛的一类敏感器。低功耗、轻质量以及高精度是对太阳敏感器的基本要求。由于传统的太阳敏感器采用CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)作为图像传感器,需要复杂的外围时序电路和电源模块,使得太阳敏感器的质量、功耗难以进一步降低。随着卫星向着微小型、甚至纳卫星皮卫星方向的发展,国内外许多科研机构开展了将高端CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补型金属氧化物半导体)有源像素传感器应用于太阳敏感器的探索。 本文提出了基于CMOS相机的数字式太阳敏感器的设计方案,方案主要由PAL(Panoramic Annular Len,全景环形镜头)、CMOS相机模组以及FPGA(FieldProgrammable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列)组成。其中浙江大学自行研制的全景环形光学镜头可在360°内一次凝视成像,具有景深大、图像处理全景化等特性,比一般镜头的视场更大。 提出了基于全景环形镜头的太阳敏感器的姿态测量原理,先根据“灰度门限法”对全景图像进行二值化,找到图像的边界点,再运用改进的八邻域边界跟踪算法找到满足周长的太阳轮廓曲线,然后找到离探测器光敏面中心最远和最近的两个点,计算出太阳相对于卫星本体坐标系的位置。该算法能有效去除噪声和不封闭曲线,具有一定的应用价值。 本文详细介绍了算法的分析设计过程,以及基于特定FPGA芯片的SoC(System on Chip,片上系统)体系结构实现方法。系统验证采用了内嵌PowerPC405的Xilinx Virtex-ⅡPro器件,其中主要姿态测量算法通过PowerPC核软件实现,数值计算和存储管理等采用FPGA可编程逻辑实现。另外,本文还在设计开发过程中使用Matlab和Verilog HDL混合仿真的方法对系统的设计模块和算法进行了验证。结果表明,本文的设计方案满足小型化、低功耗等微小卫星应用需求。
【关键词】：数字式太阳敏感器 CMOS图像传感器 全景环形镜头 PowerPC核 边界跟踪
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：V448.222
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目次8-11
• 1 绪论11-22
• 1.1 课题研究的目的及意义11
• 1.2 微小卫星发展概况11-12
• 1.3 太阳敏感器发展概况12-20
• 1.3.1 太阳敏感器构成12-13
• 1.3.2 各种太阳敏感器工作原理与特点13-14
• 1.3.3 太阳敏感器国内外研究现状14-17
• 1.3.4 太阳敏感器发展趋势17-20
• 1.4 本文的背景和主要内容20-22
• 2 基于CMOS相机的太阳敏感器系统的设计理论22-33
• 2.1 图像处理相关概念22-24
• 2.2 数字式太阳敏感器基本原理24-25
• 2.3 全景环形镜头介绍25-28
• 2.4 基于全景环形镜头的太阳敏感器姿态测量原理28-32
• 2.4.1 全景环形镜头拍摄的太阳图像特点28-29
• 2.4.2 姿态测量原理29-31
• 2.4.3 系统需求31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 3 太阳敏感器系统设计33-46
• 3.1 太阳敏感器系统总体设计33-40
• 3.1.1 功能需求分析33-34
• 3.1.2 器件选择34-38
• 3.1.3 系统实现框图38-40
• 3.2 CMOS相机子系统设计40-45
• 3.2.1 有效载荷系统介绍40-41
• 3.2.2 CMOS相机子系统设计41-43
• 3.2.3 CMOS相机子系统性能43-45
• 3.3 本章小结45-46
• 4 太阳敏感器系统硬件实现46-67
• 4.1 FPGA具体实现46-48
• 4.2 SCCB Ctrl模块的具体实现48-55
• 4.2.1 SCCB总线介绍48-50
• 4.2.2 重要寄存器说明50-51
• 4.2.3 模块实现51-55
• 4.2.4 仿真结果55
• 4.3 Image_Ctrl模块的具体实现55-62
• 4.3.1 图像传感器输出格式(YUV422)及时序分析56-57
• 4.3.2 重要寄存器说明57-58
• 4.3.3 模块实现58-62
• 4.3.4 仿真结果62
• 4.4 Edge_Detect模块的具体实现62-66
• 4.4.1 模块实现62-65
• 4.4.2 仿真结果65-66
• 4.5 本章小结66-67
• 5 太阳敏感器系统软件实现67-78
• 5.1 初始化68
• 5.2 图像信号的采集68-70
• 5.3 图像信号的处理70-74
• 5.4 方案验证及结果分析74-77
• 5.5 本章小结77-78
• 6 结论78-80
• 参考文献80-82
• 作者简介82

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 单黎明;;太阳跟踪定位技术及其应用研究[J];空间控制技术与应用;2012年03期

2 施蕾;周凯;张建福;孙强;吴一帆;;基于FPGA的小型化太阳敏感器图像采集与处理方法[J];空间控制技术与应用;2012年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 陈宇睿;复杂环境下专用计算机的设计及验证[D];浙江大学;2012年

2 蔡波;皮卫星姿态确定系统传感器模块化设计[D];浙江大学;2012年

3 蒋峰;太阳方位检测装置的研究与实现[D];太原科技大学;2012年

4 杨尚;瞄准线获取装置中CMOS相机的设计[D];长春理工大学;2012年

5 郭振东;应用于微小卫星的地球敏感器设计与优化[D];浙江大学;2013年

  本文关键词：基于CMOS相机的微卫星数字式太阳敏感器研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：286991