基于图像处理的五自由度气浮台位置控制系统的研究

论文摘要

随着我国航天领域小卫星的逐渐开发与应用,研制高性能、低成本的全物理小卫星位置和姿态仿真系统已成为航天仿真技术的发展要求。而全物理仿真是通过多自由度气浮台模拟卫星在太空的运动状态,五自由度卫星仿真气浮实验台是一个能在地面上实现微重力、低摩擦环境的新方案。五自由度气浮台由位置平台和姿态平台两部分组成。本文的研究工作着眼于将图像测量技术与自动控制理论相结合,设计并实现了一套基于图像处理的五自由度气浮台位置控制系统。系统突破传统的位置检测模式,成功的将图像处理技术引入到自动控制系统中来,实现了位置信号的非接触式测量。课题综合运用了图像处理技术、自动控制理论、计算机程序设计技术等。在图像处理系统中使用多种处理算法,基于颜色空间分割方法,提高了目标检测的准确性,并对区域搜索算法进行优化,减少了图像处理程序的运算时间;在位置控制仿真中,对气浮台的侧向力进行了较为深入的研究,对冷气推及系统的反作用力进行了实验研究,为位置控制模型的建立打下基础,由于冷气推进系统中采用了高速开关阀,建立了PWM位置控制系统的数学模型。实验和仿真表明,所使用的图像测量技术与自动控制算法均能很好的完成各自的任务。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 气浮台和位置测控系统的结构设计
• 2.1 气浮台结构设计
• 2.1.1 气浮台体总体结构
• 2.1.2 气动回路系统
• 2.2 位置测控系统设计
• 2.2.1 系统总体方案
• 2.2.2 位置测控系统硬件部分
• 2.2.3 位置测控系统整体分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于图像处理的气浮台位置测量
• 3.1 基于颜色提取的图像分割技术
• 3.1.1 图像分割的定义及其算法
• 3.1.2 图像分割的方法
• 3.1.3 表色系
• 3.1.4 颜色提取
• 3.2 图像去噪
• 3.2.1 邻域平均法
• 3.2.2 中值滤波
• 3.3 图像的二值化
• 3.4 图像形态学
• 3.4.1 膨胀
• 3.4.2 腐蚀
• 3.4.3 开启和闭合
• 3.5 目标的特征提取
• 3.5.1 边缘检测定位法
• 3.5.2 形心跟踪算法
• 3.6 图像处理
• 3.7 位置的计算
• 3.7.1 成像变换
• 3.7.2 位置计算
• 3.8 气浮台位置测量实验部分
• 3.8.1 实验前的准备工作
• 3.8.2 位置测量实验
• 3.9 本章小结
• 第4章 五自由度气浮台系统的建模
• 4.1 高速开关阀与喷嘴系统的分析与建模
• 4.1.1 喷嘴流量反作用力理论计算
• 4.1.2 喷嘴的流量和反作用力测量试验
• 4.2 气浮台侧向力的研究
• 4.2.1 实验环境的影响
• 4.2.2 轴承倾侧引起的侧向力研究
• 4.2.3 台面不平引起的侧向力研究
• 4.2.4 气浮轴承的摩擦阻力
• 4.2.5 气浮台迎风阻力
• 4.3 气浮台的动力学
• 4.4 本章小结
• 第5章 五自由度气浮台位置控制系统的仿真
• 5.1 脉宽调制
• 5.1.1 高速开关阀特性分析
• 5.1.2 脉宽调制信号的生成
• 5.2 PID 控制器设计
• 5.2.1 仿真系数的研究
• 5.2.2 PID 参数的整定
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢