一种基于目标特征的航天器间相对姿态测量方法

提出了一种基于目标特征的航天器间相对位置和相对姿态单目视觉测量方法。该方法利用目标特征点在物体坐标系中的空间坐标及其在像平面上成像点的图像坐标,根据透视成像理论,采用针孔模型解算出目标航天器与图像传感器的相对状态。提出了一种新的目标靶特征点构型设计方法,该方法适用于较大偏转姿态角的应用环境。仿真结果表明:新的特征点构型适应性好,能提高测量方法精度。该测量方法可直接用于航天器编队飞行及空间站交会对接过程中的相对姿态测量。     

新目标构型下单帧图像相对状态测量方法

提出了一种新目标特征构型下基于单帧图像的航天器间相对位置和相对姿态测量方法。该方法利用具有对称结构的目标特征点在物体坐标系中的空间坐标以及它们在像平面坐标系中的图像坐标,根据透视成像理论,解算出目标航天器与图像传感器的相对状态。所设计的目标特征靶适应性强,不仅能保证图像传感器视野内有足够的特征点,而且还可作为基于线特征的算法的目标特征。试验结果表明:在近距离范围内,新目标特征构型下的算法,具有较高的测量精度。该测量方法可直接用于航天器编队飞行以及航天器交会对接过程中的相对姿态的自主测量。     

基于目标特征的航天器相对状态测量方法误差分析

针对提高航天器间相对状态参数测量精度问题,分析了基于单目计算机视觉及目标特征的航天器间相对状态测量方法的误差因素.深入研究了灰度噪声、量化噪声对目标特征图像的影响及其误差模型,并由此建立了目标特征图像质心坐标提取误差模型.利用仿真试验分析了灰度噪声、量化噪声导致的航天器间相对状态参数测量的误差分布.结果表明,相同噪声水平条件下,灰度噪声对测量精度的影响大于量化噪声的影响.     

非合作航天器相对位姿的鲁棒视觉确定方法

以非合作航天器的相对状态确定为研究背景,针对无法在目标航天器上安装测量光标的问题,提出利用目标航天器自然特征的单目视觉测量方案.并针对仅利用非合作航天器自然特征而导致的粗大误差增大等问题,提出了基于Randomized RANdom SAmple Consensus(R-RANSAC)的相对位姿单目视觉确定鲁棒算法,该算法首先采用R-RANSAC剔除粗大误差,然后利用基于特征点的相对位姿确定迭代算法消除其他类型的误差影响,以进一步提高算法确定精度.与航天器交会对接视觉系统不同,该系统无需在目标航天器上安装测量光标,而是充分利用目标航天器的自身结构特征,因此更适用于非合作航天器间的相对状态测量.最后对本文算法进行了数学仿真,结果表明该算法的有效性和可靠性.     

航天器间相对状态光学测量系统焦距动态校准

提出了一种航天器间相对状态光学测量系统焦距的动态校准方法。利用恒星相对于观测点的方位角和高低角实现对焦距的动态校准。介绍了焦距校准方法,推导了夹角测量公式、焦距校准公式、方位角和高低角测量公式。以大犬星座α星为目标星,利用地面原型试验系统对校准方法的正确性及可行性进行了验证。结果表明,用该方法对焦距校准后,航天器间相对状态测量系统对角度的测量精度有大幅度提高。     

航天器间相对状态光学测量系统设计

针对合作目标航天器的应用背景，设计了基于单目计算机视觉及目标特征的2颗航天器间相对状态光学测量系统；介绍了测量系统的总体结构设计及电路设计，论述了系统中目标特征靶体、探测器及接口电路的设计方法；利用地面原型试验系统对测量系统的正确性及可行性进行了验证，并对影响系统测量精度的可能误差因素进行了简要分析。     

航天器交会对接位姿视觉测量迭代算法

针对航天器交会对接过程中利用单目视觉进行相对位姿参数确定问题,利利用由目标航天器上4个非共面设置的特征光标点和追踪航天器上单个CCD相机组成的交会对接航天器单目视觉测量系统,推导了交会对接航天器间相对位姿参数测量的迭代算法,将相对位姿参数求解问题转化为非线性优化问题,在目标航天器像平面空间内推导优化目标函数,利用Levenberg-Marquardt算法求解该非线性优化问题,并选择一解析算法以快速求解迭代初值,仿真结果表明算法的有效性和可靠性,能够满足交会对接航天器测量精度要求。     

基于采样策略的无人机着陆导航算法

给出了无人机着陆过程中利用帧间图像提取的特征点进行无人机状态估计的算法。采用PCA-SIFT算法进行特征点匹配,在保证能够稳定匹配的前提下,提出了帧间自适应采样策略的特征点选取算法,减少了计算的冗余性。然后通过建立本质空间中的状态方程,利用极线几何约束设计IEKF滤波器,对无人机进行相对位置、姿态估计。仿真结果表明,该算法实现了帧间特征点的快速匹配,较好的估计了无人机的相对位置、姿态信息,比单纯利用极线几何约束具有更高的精度和稳定性。     

分布式航天器间距离测量信号处理机的设计

根据分布式航天器小型化要求,采用大容量可编程门阵列（field programmable gate array,FPGA）和数字信号处理器（DSP）设计了一种分布式航天器间距离测量信号处理机,处理机可以对航天器间的相对距离进行高精度测量,实现航天器自主距离解算;根据距离测量对处理机的设计要求,从硬件结构和软件模块设计上讨论了处理机的设计思想和方法;最后在处理机上进行了航天器间相对距离测量模拟试验,证明了处理机的宽带信号处理能力。     

非合作目标在轨服务最终接近段视觉导航算法

为解决在轨服务最终接近段传统单目视觉相对导航方法受相机视场限制以及非合作航天器无法设置人工靶标的问题,提出了以非合作航天器太阳帆板三角形支架的部分结构为测量目标的视觉相对导航算法.首先,设计了"自拍杆"相机安装结构和相机实时标定方案,给出了视觉相机安装角的计算方法;然后,基于逆投影原理构建满足三角形支架实际空间几何构型约束的优化模型,采用蚁群搜索算法求解特征点的景深,并应用绝对定位方法估计航天器之间的相对位置和姿态;最后,以非合作航天器在轨服务最终2 m~0 m的接近段为背景进行数学仿真,在相对距离小于1 m时,航天器之间的相对位置和相对姿态确定精度分别优于3 mm和0.2°,验证了算法的有效性和可行性.数学仿真结果表明:该相对导航方案可行,导航算法具有较高的精度,且相对导航的精度随着航天器之间的相对距离的逐渐减少而逐渐提高;同时,该算法对投影点测量误差具有较好的鲁棒性,在投影点测量误差较大时仍具有较高的精度.     

单目视觉坐标测量方法

为了解决现代化生产中对高精度、大尺寸、三维整体现场在线测量技术的需求问题,提出了一种基于光学测头成像的单目视觉坐标测量方法。该方法以光学测头上的光学特征点作为成像目标,利用单个摄像机获取测量信息。测量过程中,通过分析光学测头上光学特征点的二维成像坐标,利用特征点之间已知的几何约束知识和摄像机的透视投影模型,建立特征点与对应像点的求解关系。通过基于奇异值分解的位姿优化算法确定特征点的空间位置坐标。根据特征点与测尖间已知的位置约束关系确定被测点的空间坐标,从而实现坐标测量目的。测试实验结果表明,该方法切实可行,系统的测量不确定度小于0.32mm。     

基于InISAR技术的三维成像

建立了在目标与天线电轴间存在较大斜角情况下的干涉式逆合成孔径雷达(InISAR)三维成像模型．研究了目标运动补偿误差对干涉测量的影响,并给出运动补偿的详细步骤．由于相位差以2π为周期,所以运动补偿误差对测量结果的影响也是周期性的,这可能造成目标像的横向折叠,本方法首先估计出目标像重心相位,然后将目标像重心作为目标的基准点对相位差进行补偿以校正目标的偏移．测量得到的目标三维坐标并不是在直角坐标系下得到的,给出了坐标转换的公式．最后用仿真结果验证了此方法的有效性．     

一种基于图象的无标定视觉伺服方法的研究

采用基于图象的视觉伺服方法，绕过了3D空间的重建，直接利用图象特征来控制机器人的运动、给出了一种基于图象的无标定的视觉伺服控制方法，通过动态估算图象雅可比矩阵来代替实际的雅可比矩阵，消除了工业应用中标定的繁琐和由此引起的误差，特别避免了基于位置控制方法成像过程的非线性和图象匹配等带来的视觉重建困难。     

快速获取三维图像方法

阐述了基于光谱分析的快速获取图像中各点三维坐标的方法原理,主要讨论实现该方法的颜色分类技术,即将图像颜色按立体划分为亮度,色调,饱和度和标定技术,即确定空间颜色面的方程     

基于非量测相机的大坝三维模型的建立

以肖岭水库为例,探索并实践了利用非量测相机获取影像,并研究了建立三维模型的方法.首先利用拓普康全站仪获取控制点的三维坐标,使用非量测相机拍摄具有一定重叠度的像片,并利用拓普康公司的PI-Calib软件进行相机标定;然后采用MapMatrix软件进行影像的数据处理,通过自动相对定向、绝对定向,自动生成DEM和DOM以及三维模型.试验结果表明,该方法是可行的.     

基于形态学图像处理的逼近段相对位置测量

针对未安装合作光标的目标航天器,设计了应用于交会对接逼近段的基于形态学图像处理的相对位置光学测量方法;基于2个五自由度卫星模拟器建立了实验系统,利用该系统对提出的方法进行了验证;实验结果的相对测量误差与理论分析一致,证明了该方法的可行性,为进一步实际工程应用提供了依据。