基于变焦距视觉的空间机械臂在轨位姿测量方法研究

发布时间：2020-05-16 20:50

【摘要】：随着航天活动的日益频繁,空间机械臂在航天器捕获、空间交会对接和在轨设备维修等方面起着越来越重要的作用。为有效保证在轨服务任务的高效性和可靠性,采用视觉敏感器进行目标测量跟踪对于空间机械臂执行在轨任务具有重要的意义。空间机械臂机构复杂、任务多样,且在轨空间环境条件苛刻,传统的定焦测量相机无法兼容空间机械臂工作空间覆盖问题和目标图像像素分辨率不足问题。因此本研究采用空间变焦相机对空间机械臂末端执行器和合作目标进行位姿测量,以适应多任务环境下空间机械臂的不同需求,同时满足空间机械臂在轨位姿测量的高精度和实时性要求。本研究针对空间变焦相机在轨位姿测量所产生的若干关键问题展开,主要完成内容如下:(1)针对变焦距视觉在轨位姿测量建模问题和标志器参数设计问题,提出了基于空间变焦相机在轨测量模型的5点标志器参数优化方法。建立了变焦距视觉成像模型、空间坐标测量模型和单目标位姿求解模型;在此基础上,推导了空间机械臂的变焦距视觉测量模型,并基于该模型采用蒙特卡罗模拟方法对标志器参数进行了优化。通过仿真实验,评估了标志器参数优化方法对视觉测量精度的影响程度,结果表明,采用优化参数的标志器进行位姿测量,其最大综合测量误差可减小到非优化参数标志器的60%。(2)针对空间变焦相机的在轨实时标定问题,提出了内外参数分离的两步在轨标定算法。对算法过程所需的坐标系进行了定义,并给出了相关的时间系统转换方法;结合视觉测量与天体测量方法,建立了空间变焦相机恒星像点与历元天球坐标系的内参数标定算法模型;在此基础上,推导了空间变焦相机外参数求取的线性算法,进而可实现外参数的优化迭代求解。最后进行了空间变焦相机参数的标定仿真实验,评估了恒星像点提取误差、经纬度与图像采样时间误差,以及恒星数量和焦距等因素对变焦相机参数标定的影响。其中在恒星像点提取精度为0.1像素标准差且标定用恒星数量不小于20颗时,变焦相机在焦距变化范围内均可达到0.005mm的焦距标定精度和优于4个像素的主点标定精度。(3)针对如何利用空间机械臂动态特性对视觉标记成像波门进行快速处理的问题,提出了基于模型的视觉标记成像波门实时预测算法。利用空间机械臂动力学模型,采用无迹卡尔曼滤波方法,建立了空间机械臂末端执行器的位姿预测模型;通过结合空间圆标志点透视投影模型和误差分析理论,建立了空间变焦相机标志器图像与空间机械臂末端执行器预测位姿的传递模型;在此基础上,实现了标记成像波门的实时预测。通过仿真实验,验证了空间机械臂末端执行器位姿预测过程的收敛性和波门特性,与未引入空间机械臂动态特性的传统方法相比,本论文的波门预测方法标志器像点不易溢出,且不易造成波门交叠,其设置准确性高,图像处理区域更小,有利于提高系统测量的实时性能。(4)对论文所提出的算法进行了实验验证。建立了地面实验平台;利用该平台,对变焦相机的参数标定算法、视觉标志器参数优化算法进行了实验验证。同时,采用优化后的视觉标志器对合作目标与空间机械臂末端执行器的相对位姿进行了测量。通过以上实验,对本论文算法的可行性与有效性进行了验证,实验结果均表明了本论文所提出算法的有效性和正确性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V441;TP241

【参考文献】