基于虚拟现实的航天器手控交会技术研究

论文摘要

交会对接技术以其广阔的应用前景已成为保障国家空间技术优势的重要组成部分,有关该技术的研究与发展在空间领域具有紧迫性和前沿性。尽管目前交会对接技术正朝着高水平的自动自主方向发展,但手控交会问题的研究对于载人航天器的空间交会技术突破仍有着极其重要的意义,尤其在自控系统失效后,人的手控操作能力将成为交会对接任务能否顺利完成的关键因素。本文以载人航天器与合作目标的手控交会问题为背景,提出了基于虚拟现实支持手控交会问题研究的新思路,打破了基于平面十字靶标进行手控交会的传统模式,对手控交会过程中的相对运动参数获取、立体场景显示、人的视觉特性等关键问题进行了相关研究。具体工作包括:提出了基于TV图像处理获取相对运动参数的新思路。1)从理论上分析了摄像机的一般成像模型,并根据手控交会时TV摄像机的成像特点进行了模型简化,提高了模型参数计算的速度和稳定性。2)基于两步法详细推导了简化模型参数的求解过程,通过仿真实验验证了简化模型与完整模型之间是基本等价的,模型的简化是合理的,可以基于简化模型进行像机参数的标定以及相对运动参数的测量。3)研究了相对运动参数测量的一般方法,推导了双目测量和单目测量模式下的位姿数据计算方法,给出了仿真结果。4)研究了模糊图像的恢复方法,建立了手控交会时的图像恢复模型,运用逆滤波复原法对退化的图像进行恢复处理,提高了图像质量和测量精度。突破传统可视化的平面模式,实现了场景的立体化,并对场景显示频率进行了优化控制研究。1)介绍了立体视觉模型与双中心投影算法,结合工作实践给出了两种生成立体图像对的软件实现方法,实现了虚拟场景的立体化。2)研究了立体场景显示时的优化控制问题,利用帧间相关性提高了场景的输出频率,并引入场景复杂度的闭环控制方法解决了视点变换时的场景显示频率不稳定问题。分析了基于平面靶标的手控交会策略,对观察平面靶标时产生视觉误差的原因进行了理论研究,提出了解决方案,具有较强的工程实用价值。1)分析了基于靶标图像的手控交会策略,总结了传统手控交会策略的局限性。2)研究了平面靶标的视觉误差产生原因以及对手控操作过程的影响。3)引入立体场景辨别了视觉误差,通过仿真结果证明了立体显示有助于提高操作人员对航天器当前相对运动状态的判断能力,从而能够减少手控过程中的燃料消耗。采用分布式框架实现了基于虚拟现实的手控交会仿真系统。1)基于面向对象的建模方法和可复用设计模式提出了基于虚拟现实的手控交会仿真系统的总体结构与开发层次框架,介绍了各个分系统的设计方案。2)基于该系统分别进行了十字靶标和双通道立体显示环境中的手控交会仿真实验,其结果证明了立体视觉环境中的手控操作人员能获取更多的相对状态,从而有较高的对接成功率。基于虚拟现实展开手控交会技术的研究是一个新思路,也是交会对接相关技术研究领域的一次有益的尝试。论文的工作对我国载人航天二期工程和其他空间应用工程具有实用参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 交会对接技术进展
• 1.1.1 交会对接应用现状
• 1.1.2 手控交会技术研究进展
• 1.1.3 计算机视觉技术在交会对接任务中的应用
• 1.2 虚拟现实的国内外研究进展
• 1.2.1 VR技术概述
• 1.2.2 VR系统的分类
• 1.2.3 VR技术的国内外现状及发展趋势
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 手控交会对象的动力学模型
• 2.1 引言
• 2.2 描述两航天器相对运动的相对坐标系
• 2.2.1 旋转相对坐标系
• 2.2.2 非旋转相对坐标系
• 2.2.3 瞄准线相对坐标系
• 2.3 两航天器质心的相对运动方程
• 2.3.1 两航天器质心运动方程的一般数学描述
• 2.3.2 在旋转相对坐标系中的运动方程
• 2.3.3 CW方程的动力学特性分析
• 2.3.4 在非旋转相对坐标系中的运动方程
• 2.3.5 瞄准线坐标系中的运动方程
• 2.4 基于瞄准线的平行交会方法
• 2.4.1 平行交会的概念
• 2.4.2 平行交会控制方法
• 2.4.3 仿真算例
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于TV图像处理获取相对运动参数
• 3.1 引言
• 3.2 摄像机成像模型
• 3.2.1 中心透视投影模型
• 3.2.2 非线性镜头畸变像差模型
• 3.2.3 手控交会时的成像模型简化
• 3.3 基于两步法的简化模型参数求解
• 3.3.1 参数求解方法概述
• 3.3.2 两步法参数求解过程
• 3.3.3 手控交会简化模型的等价性仿真验证
• 3.4 相对运动参数测量的一般方法
• 3.4.1 双目测量法
• 3.4.2 单目测量法
• 3.4.3 仿真结果
• 3.5 基于恢复图像的参数测量优化
• 3.5.1 退化模型与图像恢复方法
• 3.5.2 手控交会时的图像恢复
• 3.5.3 基于恢复图像的测量仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于测量数据的立体场景显示与优化控制
• 4.1 引言
• 4.2 立体视觉模型与投影算法
• 4.2.1 双目视差模型
• 4.2.2 双中心投影算法
• 4.3 立体图像对的生成方法
• 4.3.1 基于OpenGL实现场景立体化
• 4.3.2 基于Vega实现场景立体化
• 4.4 场景显示的优化控制
• 4.4.1 问题的提出
• 4.4.2 帧间相关性的利用
• 4.4.3 帧频率稳定性控制
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于虚拟场景的靶标视觉误差辨别方法
• 5.1 引言
• 5.2 传统的手控交会策略
• 5.2.1 相对运动信息估算方法
• 5.2.2 手动控制方法
• 5.2.3 传统手控交会策略的局限性
• 5.3 靶标图像的视觉误差分析
• 5.3.1 成像模型的等价性
• 5.3.2 靶标图像的相似性
• 5.3.3 判断失误对交会过程的影响
• 5.4 利用立体视觉辨别靶标视觉误差
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于虚拟现实的手控交会仿真系统设计与实验
• 6.1 引言
• 6.2 面向对象的建模方法与可复用设计模式
• 6.2.1 面向对象的建模方法
• 6.2.2 可复用设计模式
• 6.3 系统总体结构与开发层次框架
• 6.3.1 系统总体结构划分
• 6.3.2 开发层次框架
• 6.4 分系统设计方案
• 6.4.1 调度管理分系统设计
• 6.4.2 飞行任务仿真分系统设计
• 6.4.3 虚拟现实分系统设计
• 6.5 手控交会仿真用例及其实验结果
• 6.5.1 手控交会仿真用例
• 6.5.2 仿真模式
• 6.5.3 手控仿真实验结果
• 6.6 本章小结
• 第七章 结束语
• 7.1 本文的主要研究成果
• 7.2 进一步工作的设想
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果