空间非合作目标的近距离相对位姿测量技术研究

• 作 者: 魏许
• 机 构: 南京航空航天大学
• 出 处: 南京航空航天大学
• 发表日期: 2013年01期
• 关键词: 非合作目标 相对位姿测量 立体视觉 深度恢复 激光扫描匹配 系统融合

空间非合作目标的交会对接技术是载人航天中需要解决的重要课题。其中，非合作航天器间相对位姿的测量是解决这一问题的关键技术。本文主要针对空间非合作目标的近距离相对位姿测量技术进行研究。首先，针对空间非合作目标的近距离相对位姿测量目的，研究采用双目立体视觉来实现相对位姿测量。由于在现实条件下诸多误差对场景立体深度与视差关系模型的影响，本文分析研究了误差的种类及误差模型，由此建立了一种适用于平行式双目立体视觉系统的场景立体深度与视差的一般模型，以实现场景立体深度的准确恢复和三维重建。实验结果显示，与传统双目摄像机标定方法相比，新模型得到的距离误差在1400mm处由35mm减小到12mm。并且，本文通过室外实验验证了新模型的准确性和鲁棒性。然后，为了得到非合作目标的相对位姿，本文在双目立体视觉系统深度与视差新模型的基础上研究了基于立体视觉的相对位姿测量算法。该算法利用航天器帆板作为识别对象，通过中值滤波、边缘检测以及Hough变换得到目标航天器对象的直线特征，采用目标识别算法得到矩形面边界及四个顶点，利用新模型进行立体匹配，得到特征点在世界坐标系中的坐标，并据此建立目标坐标系，求出其相对于世界坐标系的位置和姿态。本文在物理平台下通过高精度三轴转台验证了算法的准确性和可靠性，实验结果表明，通过新模型计算得到的姿态角误差基本保持在2°以内，比现有方法提高了接近50%，能够满足追踪航天器在近距离阶段的位姿要求。最后，针对立体视觉存在易受环境光线影响，计算复杂性高等问题，本文引入了激光扫描及其位姿解算方法，提出了立体视觉和激光扫描技术相融合的相对位姿测量的总体方案。该方案包括了传感器的分析和选取，系统的硬件构成，系统的工作流程等。同时，本文对方案中使用的激光扫描匹配算法进行了分析，在准确率和实时性方面进行了改进，并通过真实的二维激光扫描数据初步验证了算法的准确度和可行性。本方案融合了双目立体视觉系统丰富的图像信息以及激光扫描仪精确的距离和角度信息，为空间非合作目标近距离相对位姿的全程精确测量提供了一种新方法。