面向航天器在轨对接的微距激光测距传感器的研究

摘要

航天技术不断发展，人类在太空中的活动越来越多，有大量太空任务需要完成，例如空间设备的维护和废弃卫星的捕获等。由空间机械臂代替宇航员完成空间任务，已经成为航天工程研究的热点。空间机械臂准确完成任务的前提是能够实时、精确地检测目标的位置，当机械臂距离任务目标较远时，可以采用雷达、视觉等传感方式对目标位置进行检测，而当距离特别近时，这些测量方法的精度和稳定性是有限的。本文对近距离激光测距传感器进行研究，研制出一款高精度、高集成度的近距离实时测距传感器，并对之进行了性能分析及实验研究。
　　本文首先从光学系统和电气系统两部分对激光测距传感器进行了分析及设计。针对光学系统，结合任务要求，对光路及光学元件进行了选择，同时对光学系统进行分析，提出了用于光学系统参数优选的指标，对光学系统参数进行设计。针对电气系统，综合分析各种控制器的特点，以FPGA作为传感器的主控制器，用VHDL硬件语言对传感器各模块进行设计，实现了部分软件功能的硬件化。其次对CCD像元细分算法进行研究并提出算法评价模型。为提高光斑中心的定位精度，提高传感器的测量精度，搭建用于像元中心定位的Labview实时工作平台，对多种像元细分算法进行分析验证；为选择最适于本传感器系统的像元细分算法，建立用于像元细分算法优劣判定的层次分析模型，并利用该模型，针对本文研制的传感器，对二分法等四种像元细分算法进行评价。然后对研制的传感器的标定方法进行理论及实验研究。针对总装完成的传感器，为减小加工和安装等系统误差对测量结果的影响，本文对传感器的标定方法进行了理论和实验研究，并对标定结果进行了组内和组间检验，根据实验结果，选择分段多项式最小二乘拟合的标定方法作为最终的标定方法。最后，提出了一种利用三点距离来检测平面位姿的算法。应用本文设计的激光测距传感器，对近距离的某一平面进行了位姿检测实验。实验结果表明，研制的激光测距传感器能够实时、高精度地完成近距离的位姿检测任务，满足机械臂末端对距离测量的要求。

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第1章 绪论

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3课题来源及本文研究内容

第2章 激光测距传感器系统设计

2.1引言

2.2激光测距传感器总体设计方案

2.3激光测距传感器光学系统设计

2.4激光测距传感器电气系统设计

2.5本章小结

第3章 CCD像元细分算法研究及评价系统建立

3.1引言

3.2 CCD像元灰度的分布特性分析

3.3 CCD像元细分算法的研究

3.4像元细分算法的层次分析法模型

3.5细分算法评价实验及相互比较矩阵的建立

3.6组合权向量及一致性检验

3.7本章小结

第4章 激光测距传感器的标定方法及实验研究

4.1引言

4.2 CCD像元细分模块

4.3传感器标定平台

4.4传感器标定方法的研究

4.5激光测距传感器参数及分析

4.6本章小结

第5章 基于激光测距传感器的平面位姿检测方法及实验研究

5.1引言

5.2平面位姿检测方法研究

5.3实验平台

5.4实验结果

5.5误差分析

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢