基于马达代数的目标航天器位姿视觉测量技术研究

发布时间：2017-08-25 13:10

  本文关键词：基于马达代数的目标航天器位姿视觉测量技术研究

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【摘要】：随着航天科技的高速发展,目标航天器相对位姿测量技术在交会对接、在轨维护、空间捕获等各类航天任务中占据着越来越重要的地位。其中基于视觉的位姿测量方法具有体积小、质量轻、成本低、功耗低以及稳定性好等优点,在航天器近距离逼近阶段中得到了广泛的应用。本文对基于单目以及双目视觉的目标航天器相对位姿测量技术进行研究,旨在找到更为实用、简洁度高、实时性好、可靠性强的位姿解算算法。首先,对旋转和位移矩阵、欧拉角、四元数等传统的刚体位姿变换描述工具进行说明,然后重点介绍了马达代数这一可以统一描述位置和姿态的新型数学工具,并推导了马达代数框架下点和直线的运动模型。另外对单目以及双目视觉的测量原理进行了研究,建立了相机成像模型以及畸变矫正模型。其次,针对合作以及非合作目标航天器,分别设计了不同的位姿视觉测量方案。其中合作目标上设置有尺寸、空间位置已知的特征光点,测量时通过双目视觉对其进行识别,然后解算出位姿值;对于非合作目标航天器则提出了一种单目视觉和激光测距相结合的位姿测量方案,通过单目相机识别目标上的矩形面从而计算出其姿态值,然后通过激光测距仪获取其相对位置信息。在此基础上,本文还重点推导了马达代数框架下的合作以及非合作目标位姿解算算法,算法所需计算参数较少,简洁度高,实时性好,数值仿真实验显示其精度能满足实际测量要求,且受噪声影响较小。最后,搭建了一种基于微软体感设备Kinect的位姿测量地面演示验证平台,对所提出的非合作目标航天器位姿解算算法进行了充分的验证。
【关键词】：目标航天器 相对位姿测量 单目视觉 双目视觉 马达代数 Kinect
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V52;TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 课题研究背景与意义13-14
• 1.2 国内外研究现状分析14-19
• 1.2.1 国外研究现状14-17
• 1.2.2 国内研究现状17-19
• 1.2.3 研究存在问题19
• 1.3 本文的主要研究内容19-21
• 第二章 相对位姿描述及视觉测量模型21-33
• 2.1 引言21
• 2.2 欧式空间中的刚体变换21-24
• 2.2.1 刚体位姿变换过程21-22
• 2.2.2 欧拉角姿态描述法22-23
• 2.2.3 四元数姿态描述法23-24
• 2.3 马达代数位姿描述法24-27
• 2.3.1 马达代数及其几何意义24-25
• 2.3.2 马达代数中点、线运动模型25-27
• 2.4 位姿视觉测量模型27-32
• 2.4.1 图像坐标系、相机坐标系与世界坐标系27-28
• 2.4.2 针孔成像模型28-29
• 2.4.3 双目视觉测量模型29-31
• 2.4.4 镜头畸变31-32
• 2.5 本章总结32-33
• 第三章 合作目标航天器相对位姿测量算法33-44
• 3.1 引言33
• 3.2 位姿视觉测量方案及原理33-34
• 3.3 特征光点中心提取算法34-35
• 3.4 相对位姿解算35-43
• 3.4.1 测量坐标系36
• 3.4.2 正交法36-38
• 3.4.3 马达代数法38-40
• 3.4.4 数值仿真40-43
• 3.5 本章总结43-44
• 第四章 非合作目标航天器相对位姿测量算法44-54
• 4.1 引言44
• 4.2 多传感器融合位姿测量方案44-45
• 4.3 相对位姿解算45-53
• 4.3.1 测量坐标系46
• 4.3.2 基于马达代数的姿态解算算法46-49
• 4.3.3 相对位置解算49-50
• 4.3.4 数值仿真50-53
• 4.4 本章总结53-54
• 第五章 基于Kinect的目标航天器位姿测量方案验证平台54-70
• 5.1 引言54
• 5.2 系统组成及工作原理54-57
• 5.2.1 Kinect设备55-56
• 5.2.2 Dr Robot X80智能小车56-57
• 5.2.3 系统工作原理57
• 5.3 Kinect标定57-62
• 5.3.1 RGB摄像头标定57-59
• 5.3.2 红外摄像头标定59-61
• 5.3.3 RGB摄像头和红外摄像头联合立体标定61-62
• 5.4 Kinect彩色及深度图像处理62-67
• 5.4.1 中值滤波63-64
• 5.4.2 Canny边缘检测64
• 5.4.3 矩形面特征提取64-66
• 5.4.4 深度图像双边滤波66-67
• 5.5 相对位姿测量结果67-69
• 5.5.1 相对位置测量可行性分析67-68
• 5.5.2 姿态测量精度分析68-69
• 5.6 本章小结69-70
• 第六章 全文总结和展望70-72
• 6.1 本文工作总结70
• 6.2 后续工作展望70-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文77

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本文编号：736926