基于單目視覺(jué)的航天器相對(duì)導(dǎo)航理論與算法研究.pdf

1、基于單目視覺(jué)系統(tǒng)的航天器相對(duì)導(dǎo)航理論是航天器接近任務(wù)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本學(xué)位論文結(jié)合國(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目：“微型航天器新概念、新機(jī)理研究”(課題編號(hào)：51312)的子課題“微型航天器自主生存的理論與方法研究”，對(duì)基于單目視覺(jué)系統(tǒng)的合作與非合作航天器相對(duì)位姿導(dǎo)航參數(shù)確定理論進(jìn)行深入研究，具體工作如下： 在綜合分析各國(guó)提出的基于視覺(jué)空間目標(biāo)監(jiān)視、檢測(cè)或逼近等演示驗(yàn)證任務(wù)的基礎(chǔ)上，提出了基于單目視覺(jué)實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)檢測(cè)、定位、跟蹤和運(yùn)動(dòng)

2、控制諸功能的非合作航天器單目視覺(jué)相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)方案。推導(dǎo)了在不同目標(biāo)特征的可分辨約束下，單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的有效測(cè)量范圍與目標(biāo)特征的尺寸特征參數(shù)、視覺(jué)敏感器焦距和像素間距等之間的約束關(guān)系式，最后利用成像系統(tǒng)的角分辨率分析了視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，為航天器視覺(jué)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)提供必要的理論基礎(chǔ)。 針對(duì)合作航天器的單目視覺(jué)相對(duì)位姿導(dǎo)航參數(shù)確定任務(wù)，提出了四個(gè)特征光標(biāo)非共面設(shè)置方案，基于該設(shè)置方案將相對(duì)位姿確定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為像平面空間內(nèi)的非線

3、性優(yōu)化問(wèn)題，推導(dǎo)了合理的優(yōu)化算法。為提高迭代算法的收斂速度，基于比例正交投影近似成像模型進(jìn)一步給出了相對(duì)位姿導(dǎo)航參數(shù)確定解析算法，為迭代算法提供精確的迭代初值。 針對(duì)非合作航天飛行任務(wù)中無(wú)法在目標(biāo)航天器上安裝特定光標(biāo)，提出了充分利用目標(biāo)航天器自身的結(jié)構(gòu)，將目標(biāo)航天器簡(jiǎn)化為可觀測(cè)特征的特征模型，實(shí)現(xiàn)基于特征的相對(duì)位姿導(dǎo)航參數(shù)確定方案。針對(duì)僅能利用目標(biāo)航天器上的自然特征而產(chǎn)生粗大誤差的問(wèn)題，給出了采用隨機(jī)化隨機(jī)采樣表決算法的相對(duì)位姿

4、導(dǎo)航參數(shù)確定魯棒算法?；谀嫱队熬€思想，將迭代過(guò)程分解為深度恢復(fù)和最小二乘擬合兩個(gè)階段，推導(dǎo)出了相對(duì)位姿導(dǎo)航參數(shù)確定迭代算法，并給出了基于3特征點(diǎn)的解析算法，為迭代算法提供精確的迭代初值，最后基于POV-Ray和Matlab軟件建立了單目視覺(jué)相對(duì)位姿導(dǎo)航參數(shù)確定的數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)，并以哈爾濱工業(yè)大學(xué)牽頭研制的“試驗(yàn)衛(wèi)星一號(hào)”為目標(biāo)航天器進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真，驗(yàn)證了本文算法的魯棒性和有效性。 以帶有單軸驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)翼的航天器為非合作逼近目標(biāo)的單

5、目視覺(jué)相對(duì)位姿導(dǎo)航參數(shù)確定為主要研究?jī)?nèi)容，創(chuàng)新性地提出了充分利用目標(biāo)航天器上豐富的自然特征信息，在共形幾何代數(shù)框架內(nèi)推導(dǎo)了多特征融合的相對(duì)位姿導(dǎo)航參數(shù)確定優(yōu)化算法，基于Rosenhahn等人在共形幾何代數(shù)框架內(nèi)建立的Faugeras分層視覺(jué)，利用共形約束方程建立利用點(diǎn)、直線等特征的鏈狀目標(biāo)航天器相對(duì)位姿導(dǎo)航參數(shù)確定多特征融合數(shù)學(xué)模型，并利用多矢量微分理論，基于幾何優(yōu)化理論推導(dǎo)了求解相對(duì)位姿導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)化算法。最后以美國(guó)的雷達(dá)成像照相偵