基于激光雷达SLAM的失效航天器近距离捕获技术研究
发布时间：2021-11-08 21:28
我国的空间事业飞速发展,对在轨服务技术的要求也越来越高。在轨服务服务包括失效航天器的在轨捕获。然而,失效航天器是非合作目标且空间环境复杂多变,增加了近距离捕获的难度。为了解决该问题,将同步定位与地图构建（SLAM）技术应用到空间非合作目标的研究中。本文以空间长期失效航天器为服务对象,基于激光雷达SLAM对近距离自主捕获系统进行方案设计以及关键技术研究,有助于提高空间资源利用率,为未来我国在轨服务技术提供研究思路。本文的主要工作包括以下几个方面:论文首先对失效目标航天器的近距离自主捕获系统的总体设计思路进行了梳理,对关键技术进行分析,并设计了总体方案。同时,对长期失效航天器的典型机构和运动特点进行分析,构建出系统的应用场景,并对方案的可行性作分析,为后续捕获技术研究奠定基础。其次,论文研究了一种基于SLAM的失效航天器的环境建模方法。将通用的图优化SLAM方法应用到空间近距离捕获任务的场景中,利用激光雷达和惯性传感器采集数据,建立数据之间的关联并构建服务航天器的位姿图,然后利用闭环检测的约束信息对位姿图进行优化。为解决SLAM算法在动态场景中产生累积误差问题,本文根据失效目标航天器自身运...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 同步定位与地图构建的研究
1.2.2 在轨失效航天器的位姿测量的研究
1.2.3 航天器捕获非合作目标的研究
1.2.4 国内外研究现状总结
1.3 本文主要研究内容
第二章 近距离自主捕获系统方案及失效航天器分析
2.1 引言
2.2 近距离自主捕获系统总体方案设计
2.2.1 近距离自主捕获系统设计思路及关键技术分析
2.2.2 近距离自主捕获系统方案总体设计
2.3 坐标系、姿态描述及数学模型
2.3.1 坐标系
2.3.2 三维空间刚体转动
2.3.3 姿态描述方法
2.3.4 姿态动力学方程
2.3.5 姿态运动学方程
2.4 失效航天器分析
2.4.1 失效航天器的典型机构
2.4.2 失效航天器的动力学建模
2.4.3 失效航天器上典型机构的运动状态分析
2.5 近距离自主捕获方案分析
2.5.1 失效航天器的空间应用环境
2.5.2 近距离自主捕获系统的场景构建
2.5.3 近距离自主捕获系统的可行性分析
2.6 本章小结
第三章 基于SLAM的失效航天器环境建模研究
3.1 引言
3.2 基于先验子图检测的同步定位与地图构建的框架设计
3.3 位姿图构建
3.3.1 SLAM问题的数学描述
3.3.2 位姿图构建的总体框架
3.3.3 连续数据关联
3.3.4 构建位姿图
3.4 位姿图优化
3.4.1 基于先验子图检测的位姿优化总体框架
3.4.2 全因子图模型
3.4.3 先验子图检测
3.4.4 回环检测
3.4.5 图优化
3.4.6 构建地图
3.5 仿真研究
3.5.1 实验环境及过程
3.5.2 实验结果及分析
3.6 本章小结
第四章 失效航天器的识别及位姿估计算法研究
4.1 引言
4.2 失效航天器的典型机构的识别及位姿估计总体框图
4.3 失效航天器典型机构的识别
4.3.1 点云预处理
4.3.2 法线估计
4.3.3 点云特征提取
4.3.4 典型机构识别
4.4 失效航天器典型机构的位姿估计
4.4.1 RANSAC初始配准
4.4.2 ICP精配准
4.4.3 位姿优化
4.4.4 位姿转换
4.5 仿真研究
4.5.1 实验环境及过程
4.5.2 实验结果分析
4.6 本章小结
第五章 近距离自主捕获策略和路径规划研究
5.1 引言
5.2 服务航天器捕获失效航天器的总体框架
5.3 服务航天器与失效航天器的相对位姿建模以及捕获策略研究
5.3.1 相对位置动力学建模
5.3.2 相对姿态动力学建模
5.3.3 失效航天器的捕获策略研究
5.4 服务航天器接近失效航天器阶段中路径规划研究
5.4.1 路径规划问题描述及约束条件
5.4.2 A*算法的基本原理
5.4.3 基于A*算法的路径规划
5.4.4 基于APF改进的A*算法的路径规划
5.5 仿真研究
5.5.1 实验环境及过程
5.5.2 实验结果分析
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文工作总结
6.2 后续研究工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]视觉SLAM综述[J]. 权美香,朴松昊,李国. 智能系统学报. 2016(06)
[2]基于点云的非合作航天器位姿测量方法研究[J]. 桂力,郑顺义,曹姝清,刘宗明,陈赟. 上海航天. 2016(06)
[3]失效航天器的姿态机动接管控制[J]. 黄攀峰,王明,常海涛,孟中杰. 宇航学报. 2016(08)
[4]基于点云的空间非合作目标运动测量技术研究[J]. 高伟,杨光. 计算机仿真. 2016(06)
[5]空间翻滚非合作目标相对位姿估计的视觉SLAM方法[J]. 郝刚涛,杜小平,宋建军. 宇航学报. 2015(06)
[6]平方根容积Rao-Blackwillised粒子滤波SLAM算法[J]. 宋宇,李庆玲,康轶非,闫德立. 自动化学报. 2014(02)
[7]基于势场栅格法的移动机器人避障路径规划[J]. 欧阳鑫玉,杨曙光. 控制工程. 2014(01)
[8]空间目标在轨捕获技术研究综述[J]. 王超,董正宏,尹航,高永明. 装备学院学报. 2013(04)
[9]基于图优化的同时定位与地图创建综述[J]. 梁明杰,闵华清,罗荣华. 机器人. 2013(04)
[10]自主捕获中自旋目标运动特性分析与地面模拟方法[J]. 刘厚德,王学谦,梁斌,徐文福,史也. 机器人. 2013(01)
博士论文
[1]航天器在轨服务任务规划技术研究[D]. 余婧.国防科学技术大学 2015
[2]空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制研究[D]. 史也.哈尔滨工业大学 2013
[3]移动机器人同步定位与地图构建关键技术的研究[D]. 曲丽萍.哈尔滨工程大学 2013
[4]在轨服务航天器与失控目标交会对接的相对位姿耦合控制[D]. 卢伟.哈尔滨工业大学 2012
[5]基于图像特征点的移动机器人立体视觉SLAM研究[D]. 林睿.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]基于Kinect的移动机器人SLAM技术研究[D]. 潘心冰.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于点云的非合作航天器超近距离位姿测量技术研究[D]. 杨滨华.南京理工大学 2017
[3]自旋目标抓捕的轨迹规划及捕获后复合体的控制[D]. 胡忠华.哈尔滨工业大学 2016
[4]非合作目标识别及多功能捕获机构的研究[D]. 庞新源.哈尔滨工业大学 2014
[5]室内微小型无人机路径规划算法研究[D]. 何雨枫.南京航空航天大学 2014
[6]非合作航天器视觉位姿测量方法的研究[D]. 王志超.哈尔滨工业大学 2013
[7]空间非合作目标的近距离相对位姿测量技术研究[D]. 魏许.南京航空航天大学 2013
本文编号：3484174
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 同步定位与地图构建的研究
1.2.2 在轨失效航天器的位姿测量的研究
1.2.3 航天器捕获非合作目标的研究
1.2.4 国内外研究现状总结
1.3 本文主要研究内容
第二章 近距离自主捕获系统方案及失效航天器分析
2.1 引言
2.2 近距离自主捕获系统总体方案设计
2.2.1 近距离自主捕获系统设计思路及关键技术分析
2.2.2 近距离自主捕获系统方案总体设计
2.3 坐标系、姿态描述及数学模型
2.3.1 坐标系
2.3.2 三维空间刚体转动
2.3.3 姿态描述方法
2.3.4 姿态动力学方程
2.3.5 姿态运动学方程
2.4 失效航天器分析
2.4.1 失效航天器的典型机构
2.4.2 失效航天器的动力学建模
2.4.3 失效航天器上典型机构的运动状态分析
2.5 近距离自主捕获方案分析
2.5.1 失效航天器的空间应用环境
2.5.2 近距离自主捕获系统的场景构建
2.5.3 近距离自主捕获系统的可行性分析
2.6 本章小结
第三章 基于SLAM的失效航天器环境建模研究
3.1 引言
3.2 基于先验子图检测的同步定位与地图构建的框架设计
3.3 位姿图构建
3.3.1 SLAM问题的数学描述
3.3.2 位姿图构建的总体框架
3.3.3 连续数据关联
3.3.4 构建位姿图
3.4 位姿图优化
3.4.1 基于先验子图检测的位姿优化总体框架
3.4.2 全因子图模型
3.4.3 先验子图检测
3.4.4 回环检测
3.4.5 图优化
3.4.6 构建地图
3.5 仿真研究
3.5.1 实验环境及过程
3.5.2 实验结果及分析
3.6 本章小结
第四章 失效航天器的识别及位姿估计算法研究
4.1 引言
4.2 失效航天器的典型机构的识别及位姿估计总体框图
4.3 失效航天器典型机构的识别
4.3.1 点云预处理
4.3.2 法线估计
4.3.3 点云特征提取
4.3.4 典型机构识别
4.4 失效航天器典型机构的位姿估计
4.4.1 RANSAC初始配准
4.4.2 ICP精配准
4.4.3 位姿优化
4.4.4 位姿转换
4.5 仿真研究
4.5.1 实验环境及过程
4.5.2 实验结果分析
4.6 本章小结
第五章 近距离自主捕获策略和路径规划研究
5.1 引言
5.2 服务航天器捕获失效航天器的总体框架
5.3 服务航天器与失效航天器的相对位姿建模以及捕获策略研究
5.3.1 相对位置动力学建模
5.3.2 相对姿态动力学建模
5.3.3 失效航天器的捕获策略研究
5.4 服务航天器接近失效航天器阶段中路径规划研究
5.4.1 路径规划问题描述及约束条件
5.4.2 A*算法的基本原理
5.4.3 基于A*算法的路径规划
5.4.4 基于APF改进的A*算法的路径规划
5.5 仿真研究
5.5.1 实验环境及过程
5.5.2 实验结果分析
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文工作总结
6.2 后续研究工作展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]视觉SLAM综述[J]. 权美香,朴松昊,李国. 智能系统学报. 2016(06)
[2]基于点云的非合作航天器位姿测量方法研究[J]. 桂力,郑顺义,曹姝清,刘宗明,陈赟. 上海航天. 2016(06)
[3]失效航天器的姿态机动接管控制[J]. 黄攀峰,王明,常海涛,孟中杰. 宇航学报. 2016(08)
[4]基于点云的空间非合作目标运动测量技术研究[J]. 高伟,杨光. 计算机仿真. 2016(06)
[5]空间翻滚非合作目标相对位姿估计的视觉SLAM方法[J]. 郝刚涛,杜小平,宋建军. 宇航学报. 2015(06)
[6]平方根容积Rao-Blackwillised粒子滤波SLAM算法[J]. 宋宇,李庆玲,康轶非,闫德立. 自动化学报. 2014(02)
[7]基于势场栅格法的移动机器人避障路径规划[J]. 欧阳鑫玉,杨曙光. 控制工程. 2014(01)
[8]空间目标在轨捕获技术研究综述[J]. 王超,董正宏,尹航,高永明. 装备学院学报. 2013(04)
[9]基于图优化的同时定位与地图创建综述[J]. 梁明杰,闵华清,罗荣华. 机器人. 2013(04)
[10]自主捕获中自旋目标运动特性分析与地面模拟方法[J]. 刘厚德,王学谦,梁斌,徐文福,史也. 机器人. 2013(01)
博士论文
[1]航天器在轨服务任务规划技术研究[D]. 余婧.国防科学技术大学 2015
[2]空间机器人自主捕获目标的轨迹规划与控制研究[D]. 史也.哈尔滨工业大学 2013
[3]移动机器人同步定位与地图构建关键技术的研究[D]. 曲丽萍.哈尔滨工程大学 2013
[4]在轨服务航天器与失控目标交会对接的相对位姿耦合控制[D]. 卢伟.哈尔滨工业大学 2012
[5]基于图像特征点的移动机器人立体视觉SLAM研究[D]. 林睿.哈尔滨工业大学 2011
硕士论文
[1]基于Kinect的移动机器人SLAM技术研究[D]. 潘心冰.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于点云的非合作航天器超近距离位姿测量技术研究[D]. 杨滨华.南京理工大学 2017
[3]自旋目标抓捕的轨迹规划及捕获后复合体的控制[D]. 胡忠华.哈尔滨工业大学 2016
[4]非合作目标识别及多功能捕获机构的研究[D]. 庞新源.哈尔滨工业大学 2014
[5]室内微小型无人机路径规划算法研究[D]. 何雨枫.南京航空航天大学 2014
[6]非合作航天器视觉位姿测量方法的研究[D]. 王志超.哈尔滨工业大学 2013
[7]空间非合作目标的近距离相对位姿测量技术研究[D]. 魏许.南京航空航天大学 2013
本文编号：3484174
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