基于视觉和激光的空间非合作目标相对位姿测量技术研究

摘要

空间非合作航天器间相对导航技术是在轨服务领域亟待解决的重要课题。其中，非合作目标相对位姿测量是实现相对导航的关键。本文研究了基于视觉和激光的空间非合作目标相对位姿测量技术。
　　首先，由于现有的视觉-激光联合标定方法存在着标定过程繁琐、需要特制标定板以及计算复杂等问题，本文提出了一种基于场景普通物体的双目相机-三维激光扫描仪联合标定新方法。即先对物体进行激光扫描和图像采集，并手动提取多个特征点，再利用特征点匹配的方法标定出两传感器之间的外部参数，并实现三维重构。实验结果表明，该方法与基于棋盘格的方法相比标定精度提高了83％，且简化了标定过程，标定时间约为其20％。
　　其次，为获取非合作航天器间相对位姿信息，本文研究了基于立体视觉的非合作目标相对位姿测量方法。该方法不需要在目标航天器上安装用于辅助测量的角反射器或发光标志，也无需预知目标的几何尺寸，而是直接以航天器自身包含的矩形特征作为识别对象，通过提取矩形特征的四个角点坐标获得四组位姿测量结果，并将四组结果的平均值作为其相对于追踪航天器的位姿。计算机仿真与半物理仿真实验结果表明，本文方法在近距离处的姿态角误差保持在1.5°以内，比现有方法的平均精度提高了15%。
　　最后，针对视觉技术容易受到光照条件、特征提取不全以及低对比度等因素的影响，本文提出了基于视觉与激光融合的空间非合作目标相对位姿测量新方案，即有光照时采用基于视觉和激光融合的相对位姿测量算法；无光照时采用基于激光扫描的相对位姿测量算法。同时，本文研究了传感器的选择、系统硬件设计以及系统工作流程等内容，并通过实验验证了本文算法的可行性和精度。本方案结合了视觉和激光各自的优势，获得了准确的相对位姿信息，并且能适应不同的光照条件，为空间非合作目标相对位姿测量提供了一种新的解决方法。

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缩略词

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外在轨服务技术研究进展

1.3 非合作目标相对位姿测量研究现状

1.4 存在问题

1.5 本文主要内容及创新点

1.6 章节安排

第二章 视觉和激光测量理论基础

2.1 坐标系定义及转换

2.2 双目立体视觉模型

2.3 激光扫描仪

2.4 本章小结

第三章 双目相机和三维激光扫描仪联合标定新方法

3.1 视觉-激光联合标定研究现状

3.2 联合标定模型的建立

3.3 双目相机-三维激光扫描仪联合标定算法

3.4 联合标定实验结果与分析

3.5 三维重构方法研究

3.6 本章小结

第四章 基于视觉的非合作目标相对位姿测量方法

4.1 基于单目相机的方位角测量原理

4.2 基于立体视觉的相对位姿测量算法

4.3计算机仿真研究

4.4 半物理仿真实验研究

4.5 本章小结

第五章 基于视觉和激光融合的相对位姿测量方案

5.1空间非合作目标相对位姿测量总体方案

5.2 空间非合作目标相对位姿测量算法

5.3 位姿测量实验结果与分析

5.4 本章小结

第六章 总结及展望

6.1 本文的主要工作

6.2 研究展望

参考文献

致谢

在校期间的研究成果及发表的学术论文