基于视觉的近距离航天器相对位姿测量技术的研究

发布时间：2021-08-09 02:10

　　随着越来越多的航天飞行器被送到太空中,非合作目标航天器的交会对接变得愈发重要,因此空间非合作航天器的相对位姿测量技术越来越受到广泛的关注。本文主要研究是基于单目视觉的近距离航天器相对位姿测量技术。在分析国内外单目视觉测量技术研究现状与发展方向的基础上,主要研究了相机标定、特征提取、目标定位和相对位姿确定等几个关键性的问题。首先,本文分析了基于移动平面模板的标定方法。此方法不但可以得出从二维图像恢复到三维的重要参数,而且消除了由于镜头产生的畸变。从实验结果得知,该算法精度较高。其次,本文提出了基于人工蜂群算法的Otsu阈值分割方法和基于人工蜂群算法的椭圆检测方法。从图像中分离出椭圆形的对接圆环并提取对接环椭圆上的特征点坐标信息,为后续的目标定位和相对位姿测量提供了坚实的基础信息。最后,提出了一种基于飞行标志器的位姿测量方法。在对接环圆心的特征点易提取和飞行标志器易于识别的基础上,求出的相对位姿精度较高。另外,本文还设计了一种确定飞行标志器在目标航天器上位置的方法。与实际的相对姿态相比,误差始终保持在2^°以内,因此可作为目标航天器相对位姿测量的一种有效方法。 

【文章来源】：南京邮电大学江苏省

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

欧洲新型飞行器可为在轨卫星加注燃料

其研究与制造的代价也是非常巨大的，一些因为各种技术原因导致的无法正常工作的或者因为能源耗尽等原因而失常不能使用而浪费的飞行航天器，不仅占用了有限的太空轨道资源，并且会威胁其它的在轨飞行航天器的安全。想象一下这样一个机场，成千上万的飞机成堆的被遗弃在停机场地上，这样的场景将会是以后围绕地球运转的卫星所发生的情况。当卫星的燃料即将耗尽时，就不能再保持精确的轨道运转，即使它们的硬件完好无损也将毫无用处。如果我们能够对这些失效的或者有故障的飞行航天器进行维修或者补给燃料等在轨服务，不仅可以避免巨大的经济损失，而且还可以净化太空中的环境，使轨道的资源得到合理的应用，为正常运行的飞行航天器提供了基本的安全保障。例如我国在2017年发射的卫星“中星9A”，由于在发射过程中火箭三级出现工作异常，卫星未能进入预定的轨道，导致卫星需要依靠自身的燃料进行变轨，使其在轨工作寿命大为缩短。当时如果有在轨服务平台得到应用，则可以及时对其进行在轨燃料补充，延长卫星的寿命，避免巨大的经济损失。因此空间的在轨服务是对空间探索的重要课题[4]，特别是近年来比较热的针对非合作航天器位姿测量研究技术对其有着重大的意义。

图1.3中国新型飞行器在轨抓取航天器 图1.4 美国在轨服务飞行器开展在轨卫星修理航天器的交会对接是在轨服务的最后一个阶段，而航天器交会对接时对于将要对接两个航天器的相对位姿是必须要获得的一个参数指标。近距离的在轨服务通常可分为追踪航天器与目标航天器，目标航天器又可分成合作目标航天器与非合作目标航天器。合作目标航天器指的是可以提供有效的合作信息（如目标航天器的结构、尺寸或者是运动的信息），预先安装合作标志器也是提供有效合作信息的一种方法。非合作目标航天器就是不能提供有效的合作信息的飞行航天器，比如说失效的或者未知的飞行航天器。实际上，大部分的空间技术任务是针对非合作目标航天器的，例如对有故障的飞行航天器进行维修或者回收，对耗尽能源而无法正常工作的卫星加能源以保证其正常运行。与对合作目标航天器进行在轨服务相比，对于非合作航天器的在轨服务有以下难点：先验信息较少、背景复杂易受外在的因素干扰、观测到的有用信息少等。因此到目前为止，针对空间非合作目标航天器的研究技术成为一个研究难点，针对非合作目标航天器的相对位姿测量技术的研究也成为了热点问题。

【参考文献】：
期刊论文
[1]人工蜂群算法研究综述[J]. 秦全德,程适,李丽,史玉回.  智能系统学报. 2014(02)
[2]基于三目视觉测量的航天器交会对接相对位姿确定算法[J]. 钱萍,王惠南.  宇航学报. 2010(06)
[3]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)
[4]图像特征点提取及匹配技术[J]. 杨晓敏,吴炜,卿粼波,华骅,何小海.  光学精密工程. 2009(09)
[5]航天器交会对接中测量靶标的两种设计方法[J]. 王保丰,李广云,陈继华,唐歌实,于志坚.  宇航学报. 2008(01)
[6]空间在轨服务技术发展综述[J]. 崔乃刚,王平,郭继峰,程兴.  宇航学报. 2007(04)
[7]非合作航天器间相对位姿的单目视觉确定算法[J]. 张世杰,曹喜滨,陈闽.  南京理工大学学报(自然科学版). 2006(05)

博士论文
[1]基于单目视觉的目标识别与定位研究[D]. 冯春.南京航空航天大学 2013
[2]空间机器人遥操作中基于视觉的局部自主控制研究[D]. 张国亮.哈尔滨工业大学 2010
[3]基于单目视觉的运动目标检测与跟踪算法研究[D]. 胡铟.南京理工大学 2008

硕士论文
[1]面向航天器在轨服务的鲁棒单目视觉导航方法研究[D]. 江春.南京航空航天大学 2017
[2]基于马达代数的目标航天器位姿视觉测量技术研究[D]. 陈伟.南京航空航天大学 2016
[3]非合作相对位姿测量跟踪研究及设计[D]. 夏庆.哈尔滨工业大学 2014



本文编号：3331151