基于激光雷达的空间非合作目标运动特性识别和三维重建
发布时间：2021-10-19 19:41
在空间在轨服务和空基攻防领域中,对空间非合作目标的运动估计和三维结构感知尤为重要,但由于空间非合作目标与追踪器之间没有信息交互,因此对空间非合作目标运动估计和三维结构测量一直是一个难题。激光雷达作为一种非接触式的主动探测技术,能够在对空间非合作目标的绕飞观测过程中精确、快速的获取目标物体的三维信息,并完成相对导航。近年来我国的空基激光雷达技术发展迅猛,激光雷达在未来几年中将用于在轨空间非合作目标的运动估计和三维重建。本文开展基于激光雷达的空间非合作目标三维重建与运动特性识别技术研究,主要工作如下:（1）首先,对激光雷达工作过程进行仿真。对激光雷达测距原理进行分析,建立激光雷达在空间导航中所用到的坐标系,描述观测数据到该坐标系的转换关系,给出激光雷达的扫描方式和主要的几何参数,分析激光雷达的运动畸变形成机理,构建激光雷达扫描仿真系统。对生成的非合作目标卫星模型进行网格化处理,网格化数据作为模型数据输入到仿真系统中,模拟激光雷达环绕空间非合作目标飞行时,激光雷达扫描仿真系统的仿真效果。（2）其次,开展基于激光雷达的空间非合作目标运动特性识别方法研究。针对传统点云ICP匹配算法对初值敏感的问...
【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】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
服务卫星抓捕目标示意图
TriDAR[9][10]系统是由美国和加拿大合力开发针对的非合作目标进行自主导航系统，该该视觉导航系统采用激光雷达测距中的三角测量与脉冲测距结合的方法，实现了一种新型的目标三维信息的获取方式[11]，能够实时提供追踪器从中距离接近目标过程中的6自由度的位姿信息。不过该系统的顺利运行还需要提供目标航天器的部分已知结构信息，为点云匹配提供一定的参照。但若是追踪器相对目标的运动速度过快，运动畸变对扫描点云的质量影响变大，则难以做到精确的匹配，从而实现位姿的追踪。德国航天局最早在1994年左右提出了“实验服务卫星”(ESS)项目，对早期发射的故障卫星进行在轨维修，预计使用卫星搭载的立体视觉相机与激光雷达对目标卫星的发动机喷嘴进行观测，分析相对运动。实际上该计划未能实现应用，于是2007年，德国航天局又提出了“德国轨道服务计划”(DeutscheOrbitaleServicingMission，DEOS)，对在轨服务的相关技术进行在轨验证，其视觉导航系统安装在机械臂末端，具体是立体相机加上光源组成的视觉导航系统，该系统能够自主完成导航[12]。图1-2DEOS任务硬件模型欧洲提出了SMART-OLEV[13]计划(SmartOrbitalExtensionVehicle)，预计捕获地球同步轨道上的失效卫星与太空垃圾。该计划的视觉导航系统包括针对近距离目标观测的立体视觉相机和照明系统，在目标距离5米内使用。系统将图像数据传回到地面控制中心进行运动特性识别，并在遥控导引下接近目标。
图1-3SMART-OLEV概念图日本宇航局(JAXA)在2006年进行了隼鸟号(Hayabusa)的小行星探测任务中用到激光雷达对小行星进行观测和定位，但由于激光雷达的失效以及临时开发的视觉导航算法的不完善，导致着陆失败[14]。于是日本宇航局在同年利用“在轨可视化环境模拟装置”对空间非合作目标导航算法开展地面实验[15]，实验主要是用立体视觉算法对目标进行三维重建，在根据三维模型和观测数据的匹配关系估计运动模型。图1-4隼鸟2号小行星探测器示意图在我国，徐文福等[20]在2010年提出使用双目相机测量空间非合作目标的运动姿态，通过检测和提取图像中目标的边缘信息识别出卫星目标的帆板信息，将帆板进行三维重构，对重构的三维模型建立坐标系，从而完成对空间非合作目标的姿态识别。王盈等[20]在2016年提出一种针对空间非合作目标在轨激光雷达成像仿真流程，提出将模型进行网格化，并根据模型网格面元的在激光射线方向的投影判断激光是否扫描到目标。王立等[22]在2019年对单目相机图像进行MSER特征提取，估计空间非合作目标在图像中的投影，从而计算目标的相对旋转速率。李荣华等[23]在2020年提出了一种基于激光雷达点云的空间失稳目标的畸变矫正和三维重建方法，通过对激光雷达点云进行精确匹配从而实
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间失稳目标线阵成像畸变分析与三维重建[J]. 李荣华,王振宇,陈凤,肖余之,薛豪鹏. 宇航学报. 2020(02)
[2]空间非合作目标自旋速率测量方法与实验[J]. 王立,顾营迎,郭绍刚,李涛,储怡. 应用光学. 2019(06)
[3]面向空间机械臂在轨服务操作的视觉感知技术[J]. 郝颖明,付双飞,范晓鹏,魏景阳,朱枫. 无人系统技术. 2018(01)
[4]国外在轨服务系统最新发展(上)[J]. 王雪瑶. 国际太空. 2017(10)
[5]空间目标激光雷达成像仿真技术[J]. 王盈,黄建明,刘玉,陈凤,魏祥泉. 红外与激光工程. 2016(09)
[6]空间在轨服务技术及发展现状与趋势[J]. 王晓海. 卫星与网络. 2016(03)
[7]基于激光扫描的人脸三维重建方法[J]. 杨宇,阚凌雁,于佳,王姣姣,元光,王金城. 红外与激光工程. 2014(12)
[8]“凤凰”计划关键技术及其启示[J]. 陈罗婧,郝金华,袁春柱,傅丹膺. 航天器工程. 2013(05)
[9]空间机器人非合作航天器在轨服务研究进展[J]. 梁斌,杜晓东,李成,徐文福. 机器人. 2012(02)
[10]三维激光扫描技术在文物三维重建中的应用研究[J]. 王昌翰,向泽君,刘洁. 城市勘测. 2010(06)
硕士论文
[1]三维激光扫描重建技术探讨与分析[D]. 沈剑.东华理工大学 2012
本文编号：3445489
【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】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
服务卫星抓捕目标示意图
TriDAR[9][10]系统是由美国和加拿大合力开发针对的非合作目标进行自主导航系统，该该视觉导航系统采用激光雷达测距中的三角测量与脉冲测距结合的方法，实现了一种新型的目标三维信息的获取方式[11]，能够实时提供追踪器从中距离接近目标过程中的6自由度的位姿信息。不过该系统的顺利运行还需要提供目标航天器的部分已知结构信息，为点云匹配提供一定的参照。但若是追踪器相对目标的运动速度过快，运动畸变对扫描点云的质量影响变大，则难以做到精确的匹配，从而实现位姿的追踪。德国航天局最早在1994年左右提出了“实验服务卫星”(ESS)项目，对早期发射的故障卫星进行在轨维修，预计使用卫星搭载的立体视觉相机与激光雷达对目标卫星的发动机喷嘴进行观测，分析相对运动。实际上该计划未能实现应用，于是2007年，德国航天局又提出了“德国轨道服务计划”(DeutscheOrbitaleServicingMission，DEOS)，对在轨服务的相关技术进行在轨验证，其视觉导航系统安装在机械臂末端，具体是立体相机加上光源组成的视觉导航系统，该系统能够自主完成导航[12]。图1-2DEOS任务硬件模型欧洲提出了SMART-OLEV[13]计划(SmartOrbitalExtensionVehicle)，预计捕获地球同步轨道上的失效卫星与太空垃圾。该计划的视觉导航系统包括针对近距离目标观测的立体视觉相机和照明系统，在目标距离5米内使用。系统将图像数据传回到地面控制中心进行运动特性识别，并在遥控导引下接近目标。
图1-3SMART-OLEV概念图日本宇航局(JAXA)在2006年进行了隼鸟号(Hayabusa)的小行星探测任务中用到激光雷达对小行星进行观测和定位，但由于激光雷达的失效以及临时开发的视觉导航算法的不完善，导致着陆失败[14]。于是日本宇航局在同年利用“在轨可视化环境模拟装置”对空间非合作目标导航算法开展地面实验[15]，实验主要是用立体视觉算法对目标进行三维重建，在根据三维模型和观测数据的匹配关系估计运动模型。图1-4隼鸟2号小行星探测器示意图在我国，徐文福等[20]在2010年提出使用双目相机测量空间非合作目标的运动姿态，通过检测和提取图像中目标的边缘信息识别出卫星目标的帆板信息，将帆板进行三维重构，对重构的三维模型建立坐标系，从而完成对空间非合作目标的姿态识别。王盈等[20]在2016年提出一种针对空间非合作目标在轨激光雷达成像仿真流程，提出将模型进行网格化，并根据模型网格面元的在激光射线方向的投影判断激光是否扫描到目标。王立等[22]在2019年对单目相机图像进行MSER特征提取，估计空间非合作目标在图像中的投影，从而计算目标的相对旋转速率。李荣华等[23]在2020年提出了一种基于激光雷达点云的空间失稳目标的畸变矫正和三维重建方法，通过对激光雷达点云进行精确匹配从而实
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间失稳目标线阵成像畸变分析与三维重建[J]. 李荣华,王振宇,陈凤,肖余之,薛豪鹏. 宇航学报. 2020(02)
[2]空间非合作目标自旋速率测量方法与实验[J]. 王立,顾营迎,郭绍刚,李涛,储怡. 应用光学. 2019(06)
[3]面向空间机械臂在轨服务操作的视觉感知技术[J]. 郝颖明,付双飞,范晓鹏,魏景阳,朱枫. 无人系统技术. 2018(01)
[4]国外在轨服务系统最新发展(上)[J]. 王雪瑶. 国际太空. 2017(10)
[5]空间目标激光雷达成像仿真技术[J]. 王盈,黄建明,刘玉,陈凤,魏祥泉. 红外与激光工程. 2016(09)
[6]空间在轨服务技术及发展现状与趋势[J]. 王晓海. 卫星与网络. 2016(03)
[7]基于激光扫描的人脸三维重建方法[J]. 杨宇,阚凌雁,于佳,王姣姣,元光,王金城. 红外与激光工程. 2014(12)
[8]“凤凰”计划关键技术及其启示[J]. 陈罗婧,郝金华,袁春柱,傅丹膺. 航天器工程. 2013(05)
[9]空间机器人非合作航天器在轨服务研究进展[J]. 梁斌,杜晓东,李成,徐文福. 机器人. 2012(02)
[10]三维激光扫描技术在文物三维重建中的应用研究[J]. 王昌翰,向泽君,刘洁. 城市勘测. 2010(06)
硕士论文
[1]三维激光扫描重建技术探讨与分析[D]. 沈剑.东华理工大学 2012
本文编号：3445489
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