基于点云的非合作航天器自主识别与位姿估计研究
发布时间：2021-11-06 22:56
随着空间技术的飞速发展,越来越多的航天器发射升空,空间在轨服务也成为各个国家研究的热点。在轨服务包括航天器的延寿保养、故障卫星的维修回收、空间垃圾的清理离轨,是保证航天任务顺利进行,维护空间环境的关键。目前在轨的航天器大多是非合作目标,针对非合作航天器的自主识别与位姿估计是完成空间在轨服务的前提与基础。本文首先比较视觉测量与激光测量的优缺点,确定使用激光雷达作为传感器来获取非合作航天器点云信息。针对获取的点云信息,对比均匀网格法、曲率采样法、栅格重心法三种点云精简方法,确定使用栅格重心法来压缩点云数据,减轻星载计算机内存压力。对比基于半径的滤波方法与基于统计的滤波方法,确定使用基于统计的滤波方法来滤除点云中的噪声,为后续操作提供高质量数据。针对非合作航天器没有安装合作标识器与抓持机构的特点,研究无需先验信息的非合作航天器自主识别方法。首先介绍点云的法向量并对比主流法向量估计方法,采用基于平面拟合的加权协方差法向量估计方法来构建点云拓扑关系,为后续特征识别、配准定姿做准备。介绍传统RANSAC算法的基本原理,采用结合法向量的RANSAC算法作为识别的基本方案。分析非合作航天器的几何特征,...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Phoenix计划示意图
图 1.1 Phoenix 计划示意图FREND(Front-end Robotics Enabling Near-term Demonstration)计划[13-15]旨在开发一种用于价值太空目标交会对接、捕获的自主系统。该计划包括用于抓捕的七自由度空间机器人系统及用于位姿测量、相对导航的传感器系统。FREND 系统通过识别并测量抓捕对象上的星箭对环来完成航天器目标的捕获。FREND 计划基于多目视觉方案，当服务航天器逼近目标 100 米内，位姿测量系统从二十多个相机中挑选三个最优位置的相机，进行图像的获取并计算位姿当服务航天器运动至目标 1.5 米以内，装载在机械臂上的手眼相机开始工作，来识别并计算标航天器抓捕位置的相对位姿，指引七自由度机械臂完成最终的捕获。
标自主交会对接与相对导航。TriDAR 系统包括基于三角测量原理的激光相机和扫描式激光雷达，激光相机系统由在轨吊臂探测系统(OBSS, Orbit Boom Sensor System)中的 LCS 系统实现。位姿估计系统应用 ICP 算法来配准航天器已知模型信息和空间探测到的三维点云信息完成相对位置姿态的测量。表 1.1 是根据文献[16-18]总结的 TriDAR 系统的精度指标。由表中数据可得，在服务航天器还在较远的距离时，目标就在视场中占据了很大的区域，因此姿态角配准精度更高，由于雷达的测距精度较差，所以位置配准的精度相对于最后的逼近阶段要低。表 1.1 TriDAR 系统测量指标System Distance/m Frequency/Hz Position Accuracy/m Pose Accuracy/mPulsed LiDAR ≤100 2 ≤0.12 ≤0.36LCS ≥0.50 2 ≤0.01 ≤1.00到 2012 年，TriDAR 系统已经成功应用到了哈勃望远镜的离轨任务。同时，TriDAR 也成功的在 STS-128,131,135 等三次“发现”号航天飞机任务中完成了验证，TriDAR 还成功的用于美国“飞蛾座”航天器，完成了与空间站的交会对接。图 1.3 显示了在 STS-128 任务中 TriDAR 系统扫描到的不同距离下的国际空间站的点云图像[19]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于方法库的点云去噪与精简算法[J]. 李仁忠,杨曼,冉媛,张缓缓,景军锋,李鹏飞. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[2]基于立体视觉的空间非合作航天器相对位姿自主测量[J]. 杨宁,申景诗,张建德,贾蕴,王桢. 光学精密工程. 2017(05)
[3]基于激光雷达的航天器相对位姿测量技术[J]. 刘玉,陈凤,王盈,黄建明,魏祥泉. 红外与激光工程. 2016(08)
[4]“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)
[5]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)
[6]凝视成像三维激光雷达噪声分析[J]. 周琴,张秀达,胡剑,严惠民. 中国激光. 2011(09)
[7]基于激光扫描技术的三维模型重建[J]. Nguyen Tien Thanh,刘修国,王红平,于明旭,周文浩. 激光与光电子学进展. 2011(08)
[8]激光雷达的测距特性及其测距精度研究[J]. 姜海娇,来建成,王春勇,李振华. 中国激光. 2011(05)
[9]地球静止轨道在轨服务技术研究现状与发展趋势[J]. 梁斌,徐文福,李成,刘宇. 宇航学报. 2010(01)
[10]空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法[J]. 徐文福,梁斌,李成,刘宇. 机器人. 2010(01)
硕士论文
[1]基于三角测量法的激光位移传感器的研究[D]. 贾琦.长春理工大学 2014
本文编号：3480679
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Phoenix计划示意图
图 1.1 Phoenix 计划示意图FREND(Front-end Robotics Enabling Near-term Demonstration)计划[13-15]旨在开发一种用于价值太空目标交会对接、捕获的自主系统。该计划包括用于抓捕的七自由度空间机器人系统及用于位姿测量、相对导航的传感器系统。FREND 系统通过识别并测量抓捕对象上的星箭对环来完成航天器目标的捕获。FREND 计划基于多目视觉方案，当服务航天器逼近目标 100 米内，位姿测量系统从二十多个相机中挑选三个最优位置的相机，进行图像的获取并计算位姿当服务航天器运动至目标 1.5 米以内，装载在机械臂上的手眼相机开始工作，来识别并计算标航天器抓捕位置的相对位姿，指引七自由度机械臂完成最终的捕获。
标自主交会对接与相对导航。TriDAR 系统包括基于三角测量原理的激光相机和扫描式激光雷达，激光相机系统由在轨吊臂探测系统(OBSS, Orbit Boom Sensor System)中的 LCS 系统实现。位姿估计系统应用 ICP 算法来配准航天器已知模型信息和空间探测到的三维点云信息完成相对位置姿态的测量。表 1.1 是根据文献[16-18]总结的 TriDAR 系统的精度指标。由表中数据可得，在服务航天器还在较远的距离时，目标就在视场中占据了很大的区域，因此姿态角配准精度更高，由于雷达的测距精度较差，所以位置配准的精度相对于最后的逼近阶段要低。表 1.1 TriDAR 系统测量指标System Distance/m Frequency/Hz Position Accuracy/m Pose Accuracy/mPulsed LiDAR ≤100 2 ≤0.12 ≤0.36LCS ≥0.50 2 ≤0.01 ≤1.00到 2012 年，TriDAR 系统已经成功应用到了哈勃望远镜的离轨任务。同时，TriDAR 也成功的在 STS-128,131,135 等三次“发现”号航天飞机任务中完成了验证，TriDAR 还成功的用于美国“飞蛾座”航天器，完成了与空间站的交会对接。图 1.3 显示了在 STS-128 任务中 TriDAR 系统扫描到的不同距离下的国际空间站的点云图像[19]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于方法库的点云去噪与精简算法[J]. 李仁忠,杨曼,冉媛,张缓缓,景军锋,李鹏飞. 激光与光电子学进展. 2018(01)
[2]基于立体视觉的空间非合作航天器相对位姿自主测量[J]. 杨宁,申景诗,张建德,贾蕴,王桢. 光学精密工程. 2017(05)
[3]基于激光雷达的航天器相对位姿测量技术[J]. 刘玉,陈凤,王盈,黄建明,魏祥泉. 红外与激光工程. 2016(08)
[4]“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)
[5]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)
[6]凝视成像三维激光雷达噪声分析[J]. 周琴,张秀达,胡剑,严惠民. 中国激光. 2011(09)
[7]基于激光扫描技术的三维模型重建[J]. Nguyen Tien Thanh,刘修国,王红平,于明旭,周文浩. 激光与光电子学进展. 2011(08)
[8]激光雷达的测距特性及其测距精度研究[J]. 姜海娇,来建成,王春勇,李振华. 中国激光. 2011(05)
[9]地球静止轨道在轨服务技术研究现状与发展趋势[J]. 梁斌,徐文福,李成,刘宇. 宇航学报. 2010(01)
[10]空间机器人捕获非合作目标的测量与规划方法[J]. 徐文福,梁斌,李成,刘宇. 机器人. 2010(01)
硕士论文
[1]基于三角测量法的激光位移传感器的研究[D]. 贾琦.长春理工大学 2014
本文编号：3480679
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