基于单目视觉的航天器相对导航理论与算法研究

摘要

基于单目视觉系统的航天器相对导航理论是航天器接近任务的一项关键技术，本学位论文结合国家安全重大基础研究项目：“微型航天器新概念、新机理研究”(课题编号：51312)的子课题“微型航天器自主生存的理论与方法研究”，对基于单目视觉系统的合作与非合作航天器相对位姿导航参数确定理论进行深入研究，具体工作如下： 在综合分析各国提出的基于视觉空间目标监视、检测或逼近等演示验证任务的基础上，提出了基于单目视觉实现空间目标检测、定位、跟踪和运动控制诸功能的非合作航天器单目视觉相对导航系统方案。推导了在不同目标特征的可分辨约束下，单目视觉测量系统的有效测量范围与目标特征的尺寸特征参数、视觉敏感器焦距和像素间距等之间的约束关系式，最后利用成像系统的角分辨率分析了视觉测量系统的测量精度，为航天器视觉系统的分析和设计提供必要的理论基础。 针对合作航天器的单目视觉相对位姿导航参数确定任务，提出了四个特征光标非共面设置方案，基于该设置方案将相对位姿确定问题转化为像平面空间内的非线性优化问题，推导了合理的优化算法。为提高迭代算法的收敛速度，基于比例正交投影近似成像模型进一步给出了相对位姿导航参数确定解析算法，为迭代算法提供精确的迭代初值。 针对非合作航天飞行任务中无法在目标航天器上安装特定光标，提出了充分利用目标航天器自身的结构，将目标航天器简化为可观测特征的特征模型，实现基于特征的相对位姿导航参数确定方案。针对仅能利用目标航天器上的自然特征而产生粗大误差的问题，给出了采用随机化随机采样表决算法的相对位姿导航参数确定鲁棒算法。基于逆投影线思想，将迭代过程分解为深度恢复和最小二乘拟合两个阶段，推导出了相对位姿导航参数确定迭代算法，并给出了基于3特征点的解析算法，为迭代算法提供精确的迭代初值，最后基于POV-Ray和Matlab软件建立了单目视觉相对位姿导航参数确定的数学仿真系统，并以哈尔滨工业大学牵头研制的“试验卫星一号”为目标航天器进行了数学仿真，验证了本文算法的鲁棒性和有效性。 以带有单轴驱动太阳翼的航天器为非合作逼近目标的单目视觉相对位姿导航参数确定为主要研究内容，创新性地提出了充分利用目标航天器上丰富的自然特征信息，在共形几何代数框架内推导了多特征融合的相对位姿导航参数确定优化算法，基于Rosenhahn等人在共形几何代数框架内建立的Faugeras分层视觉，利用共形约束方程建立利用点、直线等特征的链状目标航天器相对位姿导航参数确定多特征融合数学模型，并利用多矢量微分理论，基于几何优化理论推导了求解相对位姿导航参数的最优化算法。最后以美国的雷达成像照相侦察卫星“长曲棍球”(Lacrosse-4)为非合作目标航天器原型对该算法进行数学仿真验证，数学仿真结果表明文中提出的确定算法能够准确快速地确定相对位姿导航参数，能够满足航天任务应用要求，验证了算法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表索引

第1章绪论

1.1课题背景

1.1.1课题来源

1.1.2课题研究的目的与意义

1.2国内外研究现状及分析

1.2.1引言

1.2.2航天器视觉系统

1.2.3合作航天器间相对位姿确定算法

1.2.4目标特征的数学描述

1.2.5基于特征的位姿确定

1.2.6位姿确定的鲁棒算法研究

1.2.7分层视觉

1.3本文的主要研究内容

第2章视觉测量理论基础

2.1引言

2.2坐标系

2.2.1像平面坐标系

2.2.2相机坐标系

2.2.3目标航天器坐标系

2.3摄像机模型

2.3.1图像投影

2.3.2摄像机线性模型

2.4几何代数

2.4.1几何代数基本知识

2.4.2共形几何代数

2.5本章小结

第3章航天器视觉系统测量范围确定和精度分析

3.1引言

3.2航天器视觉导航系统

3.3视觉测量系统的测量范围确定

3.3.1空间分辨率

3.3.2直线段特征满足可分辨约束的测量范围

3.3.3圆形特征满足可分辨约束的测量范围

3.4视觉系统测量精度分析

3.5本章小结

第4章合作航天器相对位姿单目视觉确定算法

4.1引言

4.2单目视觉相对位姿导航参数确定算法

4.2.1坐标系定义及相机模型

4.2.2基本原理

4.2.3最优化算法

4.3迭代初值选取

4.3.1解析解推导

4.3.2解析解修正

4.4数值仿真

4.5本章小结

第5章非合作航天器相对位姿确定鲁棒算法

5.1引言

5.2单目视觉相对位姿导航参数确定算法

5.2.1坐标系定义及相机模型

5.2.2鲁棒算法基本过程

5.3随机采样表决算法

5.3.1特征有效阈值设定

5.3.2最大迭代次数

5.3.3表决集有效阈值设定

5.3.4 RANSAC改进算法

5.4解析算法

5.5迭代算法

5.5.1像平面空间迭代算法

5.5.2物空间迭代算法

5.6数学仿真

5.6.1仿真图生成过程

5.6.2仿真参数

5.6.3仿真结果

5.7本章小结

第6章基于几何代数的非合作航天器位姿确定算法

6.1引言

6.2非合作航天器单目视觉相对位姿确定问题的分层表示方法

6.2.1分层视觉理论

6.2.2几何代数框架内的分层视觉表示方法

6.3 CGA内非合作航天器相对位姿确定问题的数学模型建立

6.3.1基于特征点相对位姿确定问题的目标函数建立

6.3.2基于特征直线相对位姿确定问题的目标函数建立

6.3.3带单轴驱动太阳翼的航天器相对位姿确定目标函数的建立

6.4几何优化算法推导

6.5数学仿真

6.6本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明和使用授权书

致谢

个人简历