基于单目视觉的空间非合作单轴旋转目标位姿测量与跟踪控制

摘要

随着人们对太空探索的深入，航天领域相关技术得到飞速发展，航天器对接、空间捕获、垃圾清理等技术成为全世界研究的热点。空间非合作目标之间交会对接是一个难点，而其中相对位姿的确定是一个关键点。对于这点，人们研究了很多方法，其中视觉测量得到了很大的肯定。视觉测量系统的简单、低成本特性，人们已将视觉测量作为逼近阶段的导航手段。当前的视觉测量中，大都是两者在相对稳定的情况下进行的，并没有考虑到目标的旋转，本文在前人研究的单目视觉测量系统的基础上，针对空间非合作单轴旋转目标的相对转速、位姿等测量和跟踪控制问题，进行了详细的研究，完善了目前视觉测量方法的一些不足，对未来“在轨服务”任务中救援卫星、清理太空垃圾等有着重要借鉴的意义。 首先，本文详细介绍了空间非合作目标相对姿态测量的国内外研究现状，了解了当前视觉测量的技术水平，并分析了其中的一些不足的地方，指明了本文将要研究的重点和方向。简要的概括了视觉测量系统中的一些原理以及航天器姿态运动理论，为后面研究打下牢固的理论基础。 其次，针对非合作单轴旋转目标相对角速度的测量问题，我们选择了视频信息处理的角速度测量方法。通常我们采用对比相邻图像间提取的直线向量计算两直线的夹角，将该角度除以时间间隔即可获得角速度。但该方法存在一定的缺陷：由于向量之间的夹角范围在180°以内，所以当转过角度大于180°时获得错误的值。经研究，本文采用复数的形式表示直线向量，利用两向量的商表示两者间的转角。在转角超过180°和没有超过180°这两种情况下，通过对比实部与虚部的正负情况，获得完整的转角解算公式，解决了该方法中的缺陷，最后通过仿真得到了验证。 在相对姿态解算的问题上，本文在前人提出的逆投影理论基础上，采用遗传算法来求解旋转矩阵，避免了SVD解法可能出现的奇异问题，同时，整个算法中旋转矩阵迭代次数明显比传统的方法要少，通过实验得以验证。在跟踪控制方面，重点考虑和研究了PID控制和滑模变结构控制这两种控制方法。前者是典型的传统控制方法，后者是新兴的控制方法。针对姿态速度控制分别进行了控制律的设计，并通过李雅普诺夫稳定定理（Lyapunov stability）证明了本文所设计的控制律的稳定性。 最后，在Simulink基础上搭建追踪航天器模型，模拟航天器整个控制系统中的各个模块功能，搭建闭环控制系统。实验仿真结果，控制系统的稳定性，能够平稳地到达期望姿态和角速度，完成姿态和角速度的跟踪控制。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容结构安排

第2章 视觉测量和航天器运动姿态基础理论

2.1 视觉测量系统中各坐标系的定义和关系变换

2.2 摄像机成像模型

2.3 航天器运动姿态理论

2.4 本章小结

第3章 基于视频信息的转速测量方法研究

3.1 引言

3.2 图像预处理技术

3.3 直线特征提取

3.4 基于Hough变换的转速测量方法和仿真分析

3.5 本章小结

第4章 基于遗传算法的相对位姿解算方法

4.1 引言

4.2 相对位姿估计原理

4.3 基于遗传算法的旋转矩阵求解方法

4.4 仿真验证

4.5 本章小结

第5章 航天器姿态跟踪控制方法研究

5.1 引言

5.2 PID控制器设计

5.3 滑模控制器设计

5.4 本章小结

第6章 基于Simulink系统模型搭建和仿真验证

6.1 引言

6.2 模型搭建

6.3 仿真结果及分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢