空间绳系组合体地面模拟实验测量技术研究

摘要

基于机器视觉技术的空间组合体目标物体的测量方法已在空间碎片处理、卫星在轨服务等方面开展了应用。空间绳系组合体（如绳网机器人的捕获）操控目标物的全过程十分复杂,特别在捕获过程中系统变化大、响应快,为了对这类空间绳系组合体捕获时的动力学模型及控制策略进行验证,需要在地面进行相关的模拟仿真实验。为此本文研究基于机器视觉的绳系组合体地面模拟实验测量技术,以及相应的拖曳控制策略和地面仿真实验。本文的主要工作如下:
　　(1)结合刚体动力学理论,基于机器视觉技术提出了改进的目标物多模板匹配算法。利用目标物体表面上的特征标志点进行运动跟踪和速度计算,该方法只需在目标物运动时利用视觉测量技术确定目标物表面上特征点的位置坐标,进而求解出目标的运动速度量等信息。
　　(2)根据空间绳系组合体地面模拟实验的应用要求,对建立的机器视觉测量系统进行了相关测试实验,验证了测量方法的准确性并分析了测量系统精度。
　　(3)进行了基于机器视觉测量系统的防冲击地面实验。建立的视觉测量系统可以实时的测量目标星的运动位姿状态,防冲击地面实验取得了比较好的控制效果,验证了控制方法和测量系统的有效性。
　　(4)研究了空间绳系组合体系统在拖曳离轨过程中面内横向摆动抑制的控制策略,设计了一种对绳系组合体系绳长度的分段控制方法。软件仿真结果表明,提出的控制方法可使得面内摆角最终衰减至零,并保持系绳张力始终大于零。

目录

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摘要

目次

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 机器视觉测量研究现状

1．2．2 绳系组合体地面模拟实验研究现状

1．2．3 空间绳系组合体摆振研究现状

1．3 本文的主要研究内容

2 绳系组合体卫星模拟器数字图像预处理

2．1 卫星模拟器图像灰度图转换

2．1．1 转换公式

2．1．2 转换效果

2．2 卫星模拟器图像二值化

2．3 卫星模拟器图像噪声滤波

2．3．1 中值滤波

2．3．2 均值滤波

2．4 卫星模拟器图像金字塔分层处理

2．5 本章小结

3 绳系组合体目标物运动位姿动态测量算法

3．1 基于模板匹配的运动目标跟踪

3．2 改进的多模板匹配算法

3．3 刚体平面运动中位姿运动计算算法

3．4 本章小结

4 机器视觉测量系统地面测试实验

4．1 测量系统实验平台

4．1．1 气浮基础平台

4．1．2 相机的选择

4．1．3 相机镜头的选择

4．1．4 图像传输和处理模块

4．2 绳系组合体视觉测量系统地面测试实验

4．2．1 直线运动测试

4．2．2 旋转运动测试

4．2．3 刚体平面运动测试

4．2．4 测试实验结果分析

4．3 本章小结

5 绳系组合体地面防冲击实验

5．1 空间绳系组合体系统动力学建模

5．1．1 系统动力学模型

5．1．2 绳系系统拖曳动力学方程

5．1．3 绳系系统摆振耦合分析

5．1．4 绳系系统纵向振动特性分祈

5．2 地面防冲击模拟实验系统

5．2．1 卫星模拟器子系统

5．2．2 机器视觉测量子系统

5．2．3 张力控制机构子系统

5．2．4 视觉测量串口通讯子系统

5．3 绳系组合体防冲击地面实验乖分析

5．4 本章小结

6 空间绳系组合体拖曳面内摆动抑制控制

6．1 绳长不控制系统特性分析

6．1．1 绳长不控时摆动特性分析

6．1．2 任务星推力F和面内摆角频率关系

6．1．3 绳长不控制时摆动仿真分析

6．2 摆动抑制的绳长控制策略

6．3 控制策略仿真分析

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间主要科研成果