卫星编队物理仿真系统多参数视觉测量方法及仿真验证

论文摘要

卫星编队飞行技术被认为是卫星应用的必然趋势,编队飞行的地面仿真是对编队飞行技术研究的基础。为了能够对卫星编队飞行进行模拟实验,需要对多个卫星模拟器的位置和姿态参数进行实时测定,并将测量参数引入控制系统中,以实现各种编队飞行。由于计算机视觉测量具有非接触、易实现、精度高等特点,本文根据编队飞行模拟实验的测量要求,对多目标多参数视觉测量方法进行研究,具体研究内容包括:针对本视觉测量系统需要对多个卫星模拟器进行识别,并需要确定每个卫星模拟器的位姿参数的特点,提出了在卫星模拟器表面设置具有编码信息的测量靶标,以利于对卫星模拟器的识别和位姿参数的求取。由于圆形结构简单,且具有投影中心不变等特点,设计了一种以圆形为基本特征的编码靶标结构。对此编码靶标的二进制编码方法、编码容量和编码正方向等问题进行了探讨,得以确定二进制编码靶标的设计方法。引入了编码汉明距离的概念,根据汉明距离的大小所对应的编码检错能力,提出了具有容错能力的二进制编码设计方案,依据此方案设计的编码靶标可以增强视觉测量的鲁棒性。针对多个编码靶标的识别和位姿参数的求取,对具有多个编码靶标的图像分割问题进行了探讨,提出了基于图论的编码靶标聚类分割算法,并对此算法进行仿真验证,结果表明此算法对编码靶标的分割起到了很好的效果,同时此算法也适用于编码靶标编码信息缺失的情况。采用最小二乘拟合方法对属于同一编码靶标上的特征点进行椭圆拟合,提出了利用此椭圆信息求取编码靶标位姿参数的方法,并对此方法进行仿真验证,结果表明此方法能够对编码靶标的位姿参数进行较为精确的确定。最后,对基于编码靶标的多目标多参数视觉测量方法进行了仿真验证,并针对编码靶标分割算法较为复杂和位姿参数求取的多值问题,分别提出了对编码靶标的位置和姿态参数进行状态预估的方法,从而简化了算法的复杂度,提高了算法的执行效率,同时使得编码靶标的姿态参数得以唯一确定,实验结果表明此视觉测量方法能够很好的满足测量任务。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 视觉测量的应用现状
• 1.2.2 测量靶标的设计
• 1.2.3 图像识别的方法
• 1.2.4 姿态参数的确定方法
• 1.3 本文主要的研究内容
• 第2章 基础理论
• 2.1 引言
• 2.2 摄像机成像模型
• 2.2.1 凸透镜成像模型
• 2.2.2 针孔成像模型
• 2.3 视觉测量坐标系
• 2.3.1 世界坐标系和摄像机坐标系
• 2.3.2 坐标系之间的变换
• 2.4 航天器姿态参数
• 2.5 图论基本知识
• 2.5.1 图论的基本概念
• 2.5.2 图的邻接矩阵
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于多目标位姿测量编码靶标的设计方法
• 3.1 引言
• 3.2 二进制编码靶标的结构方案
• 3.2.1 编码靶标的设计原则
• 3.2.2 编码靶标的结构
• 3.3 二进制编码靶标的设计方法
• 3.3.1 编码靶标的编码方法
• 3.3.2 编码靶标的编码容量
• 3.3.3 编码靶标的正方向
• 3.3.4 编码靶标的编码距离
• 3.4 二进制编码靶标的设计方案
• 3.5 本章小结
• 第4章 二进制编码靶标的识别及位姿参数求取
• 4.1 引言
• 4.2 编码靶标图像的预处理
• 4.2.1 编码靶标图像的平滑滤波
• 4.2.2 编码靶标图像的二值化
• 4.2.3 特征点中心坐标的提取
• 4.3 基于图论的编码靶标分割方法
• 4.3.1 聚类分割方法简介
• 4.3.2 基于图论的聚类分割算法
• 4.3.3 分割算法的仿真验证
• 4.4 编码靶标位姿参数的求取
• 4.4.1 椭圆的最小二乘拟合
• 4.4.2 绕X 和Y 轴旋转角度的求取
• 4.4.3 绕Z 轴旋转角度的求取
• 4.4.4 位姿参数求取的仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于编码靶标的视觉测量方法仿真验证
• 5.1 引言
• 5.2 编码靶标位姿参数求取方法的数学仿真验证
• 5.3 编码靶标识别的仿真验证
• 5.3.1 具有完全编码信息的情况
• 5.3.2 具有不完全编码信息的情况
• 5.4 编码靶标位置和姿态的预估
• 5.4.1 编码靶标位置的预估
• 5.4.2 编码靶标姿态的预估
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢