非合作航天器双目视觉位姿估计算法研究

论文摘要

非合作目标的识别测量在航天、军事、智能交通、医疗、多媒体等领域有着广泛的应用。其中在航天领域,非合作目标的测量技术是实现在轨卫星维修、卫星元器件升级、建立永久空间站、捕获敌方卫星等航天活动的技术基础。非合作目标测量技术的实现将成为人类航天探索的一把利器。以CCD相机等图像传感器为测量元件的测量系统,因其造价低廉、应用方便,受到各国研究人员越来越多的重视,成为近年来空间交会对接任务测量方法中研究的热点问题。本论文设计的视觉测量方法是以某“863”相关项目为研究背景,目的是为了在气浮仿真平台上,实现三、五自由度卫星的交会对接任务。在总结非合作目标交会对接视觉测量领域研究现状的基础上,设计了基于模型的双目视觉测量算法。该测量算法相对于其他的以检验非合作目标特征点为算法主要架构的方法,有效地克服了由于事先预定的特征点丢失或特征点检验不准确而导致算法失效的缺点。所设计的视觉测量算法由粗算和精算两大模块构成。所设计的算法优势就是不受限于对目标航天器的物理结构。在粗算模块中实现对非合作目标的识别及位姿信息的粗糙解算。由于双目测量系统运算量巨大,为了减轻测量系统运算处理单元的负担,粗算模块中采用了已经用并行编程算法优化好了的由开源软件OpenCV提供的立体视觉函数接口。通过立体视觉函数接口,我们可以获得非合作目标在CCD相机参考坐标系下的坐标。再利用绝对定姿方法,便可方便的获得非合作目标相对于相机参考系的位姿信息。为了增强绝对定姿方法对物点和像点之间粗大匹配误差的鲁棒性,引入随机化RANSAC算法,来剔除匹配中的粗大误差。仿真实验表明,引入的RANSAC的绝对定姿方法可以有效地去除匹配中的粗大误差,显著提高了绝对定姿方法的鲁棒性。由于在实际的非合作目标体识别过程中不可避免的要引入计算误差。针对计算误差的存在,设计了位姿解算精算模块。精算模块的启动需要粗算模块提供位姿解算的初步结果。精算模块的主要思路就是选取非合作目标体3D模型上的部分坐标,按照位姿解算的初步结果投影到成像平面,计算投影成像与实际的非合作目标成像之间距离。使距离最小,从而计算出新的姿态信息。仿真结果表明,对于小于20度的姿态误差和小于1厘米的位置误差,精算模块可以有效地克服误差,从而成功完成交会对接任务。论文设计的双目视觉位姿测量算法,对非合作目标交会对接任务的实现具有一定的理论参考价值,对在硬件上实现测量算法提供了有效的理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及目的与意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 目的与意义
• 1.2 国内外相关领域研究近况
• 1.2.1 国内外交会对接测量系统
• 1.2.2 视觉测量技术的发展
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 视觉测量理论基础
• 2.1 坐标系定义
• 2.1.1 空间物体参考坐标系
• 2.1.2 相机参考坐标系
• 2.1.3 图像坐标系
• 2.2 摄像机模型
• 2.2.1 线性相机模型
• 2.2.2 双目视觉模型
• 2.2.3 立体视觉标定
• 2.3 基本图像匹配方法
• 2.3.1 基于Harris算子的角点特征匹配
• 2.3.2 Hough变换
• 2.3.3 Sobel 算子
• 2.4 本章小结
• 第3章 双目非合作目标位姿测量方法
• 3.1 测量算法流程设计
• 3.2 测量算法粗算模块
• 3.2.1 立体校正
• 3.2.2 立体匹配
• 3.2.3 绝对位姿定姿方法
• 3.2.4 RANSAC绝对位姿定姿算法
• 3.3 仿真分析
• 3.3.1 计算误差仿真
• 3.3.2 匹配误差仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 位姿测量方法精算模块设计
• 4.1 模块流程设计
• 4.2 算法分析
• 4.2.1 算法理论知识
• 4.2.2 算法分析
• 4.3 算法仿真
• 4.4 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢