基于空间非合作目标微双目视觉导航敏感器的研制

摘要

目前，基于空间非合作目标的在轨服务技术在航天器在轨维修、空间碎片清理及空间攻防等领域得到广泛应用。在非合作目标航天器或空间碎片的逼近阶段，基于立体视觉位姿测量技术是关键技术之一。本论文以小型化、低功耗为目标，展开了微双目立体视觉硬件系统及相关图像处理算法的研究工作。
　　首先提出了基于双FPGA+DSP的微双目立体视觉的硬件实现方案。采用美国Digilent公司的微双目单板VmodCAM作为前端图像采集单元，两片FPGA分别控制一路图像采集通道，通过改进的Canny算子实现了对非合作目标航天器的边缘检测，DSP中实现了基于Hough变换的直线检测与识别。
　　其次，根据小型化、低功耗的指标要求，合理选取了微双目立体视觉敏感器的关键器件并完成了整体硬件电路设计。FPGA选取基于Flash结构的低功耗、高速A3PE1500-FG676处理器，DSP选取TI公司高速TMS320C6416T处理器，并对二者的功耗进行了预估；对比分析了外部数据存储器SRAM与SDRAM在不用模式下的电流值，通过软件优化的方式降低了二者的功耗；选取转换效率高、占用面积小的开关电源稳压模块作为供电电路；完成了FPGA与DSP最小系统电路设计及外部数据、程序存储器接口电路设计等。
　　再次，在软件设计上，根据图像数据流向，合理地将FPGA逻辑划分为图像采集模块、基于改进的Canny算子的边缘检测模块、图像以及边缘坐标点存储模块等。同时，对DSP中基于Hough变换的直线提取过程进行了优化处理，通过合理分区和前帧反馈两种方法减少了直线检测的数据量，提高了系统的数据更新率。
　　最后，通过采集一个复杂边缘的方盒的图像，验证了FPGA中边缘检测效果。通过采集非合作目标航天器的图像，验证了DSP中Hough变换直线检测与识别的效果。通过模拟空间环境中追踪航天器与目标航天器的逼近实验，验证了本系统的工作性能，系统的平均数据更新率不小于6Hz，连续工作时，功耗不大于4W。此外，整个微双目硬件系统平台大小尺寸仅为106mm×106mm×26mm(长×宽×高)，重量仅260g。可见，本微双目视觉导航敏感器具有体积小、重量轻、功耗低、数据更新率快的优点，具有重要的工程应用价值。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3 FPGA在图像采集及处理中的应用

1.4 图像特征提取技术

1.5 本论文的主要研究内容

第2章 微双目视觉导航敏感器系统方案设计

2.1 系统总体方案

2.2 基于边缘直线的特征提取方案

2.3 系统性能指标

2.4 关键元器件选型

2.5 本章小结

第3章 微双目视觉导航敏感器硬件电路设计

3.1相机VHDCI接口电路设计

3.2电源电路设计

3.3 FPGA其他外围电路设计

3.4 DSP其他外围电路设计

3.5 本章小结

第4章 微双目视觉导航敏感器软件设计

4.1 FPGA内部逻辑设计

4.2 DSP程序设计

4.3 FPGA与DSP的通信逻辑设计

4.4 本章小结

第5章 系统调试与实验

5.1 FPGA调试

5.2 DSP程序调试

5.3 现场实验

5.4 本系统所达到的性能指标

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录1: FPGA与DSP处理板布局布线图

附录2: FPGA与DSP处理板的分层设计

附录3: FPGA与DSP处理板实物图

附录4: 微双目视觉导航系统实物图

声明

致谢