基于多视图重建的非合作目标位姿测量研究

• 作 者: 夏星宇
• 出 处: 南京邮电大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 单目视觉 非合作目标 三维重建 位姿测量 虚拟现实

随着太空碎片清理以及故障航天器维修等自主在轨服务需求的不断增长,面向非合作目标定位与抓取的视觉测量方案已成为空间机器人技术的研究重点。与合作目标器不同的是,非合作目标通常不具备易于识别的合作靶标以及三维结构先验信息,这给航天器交会过程中的稳定识别与鲁棒定位带来了严峻挑战。三维重建技术能够有效恢复出目标的三维模型,随着其精度及效率的提升,结合多视图重建的位姿测量方案越来越受到研究者们的关注,本论文在研究目标器特征提取、多视图重建和位姿估计问题的基础上,提出一种新的基于多视图重建的非合作目标位姿测量方案。与此同时,考虑到虚拟现实技术能赋予用户更具沉浸式的感知和操作体验,本文还对空间机器人的交互方式进行了探索,以无人机作为载体,开发了一套基于头戴显示器控制的无人机远程呈现系统。本文的具体研究内容如下:首先,以星箭对接环、远地点推力器以及目标器主体轮廓作为待识别特征,提出基于快速椭圆检测的对接环及推力器中心提取算法和基于矩形检测的目标器主体轮廓顶点提取算法,与基于关键点检测的特征提取方法不同,本文提出的方法能够快速鲁棒地提取非合作目标的典型部件特征,为后续的位姿估计提供稳定有效的图像特征信息。其次,结合基于SIFT点的序列图像特征跟踪算法、增量式运动推断结构算法和基于深度图融合的多视图立体算法来对目标器进行稠密重建。在对多视图重建管线进行详细描述的基础上,提出结合RANSAC的特征匹配算法和改进的深度图估计算法。实验表明本文采用的多视图重建方案能够有效恢复出目标器的稠密点云模型,为位姿估计提供精确的典型部件三维信息。在上述研究的基础上,将非合作目标位姿测量转化为N点透视投影问题并采用改进的非迭代位姿估计算法进行求解,不仅能够处理特征点共面及非共面的情况,而且在计算效率及精度上有所提升。同时,本文搭建了地面半物理试验平台并基于Qt和OpenGL开发了用于可视化交互的软件仿真系统,进一步验证了位姿测量方案的有效性。最后,提出结合自适应原点更新的速率控制方式以及全向的六自由度视点控制方式,用户在无需任何辅助设备的情况下可以更加灵活地控制无人机,同时获得沉浸式的感知体验。本文搭建了包含数据传输模块、实时渲染模块和运动映射模块的基于头戴显示器控制的无人机远程呈现原型系统,并在Unity仿真环境中进行了用户研究,实验表明本文提出的运动映射算法在主观和客观评价指标上都优于现有算法,并且能提供直观自然的交互体验。