隨著人類對(duì)太空資源利用的不斷深化,近地空間存在著大量的太空垃圾潛在威脅航天器運(yùn)行,空間軌道上的失效衛(wèi)星需要維修或移除。由于這些實(shí)際的在軌服務(wù)需求,空間非合作目標(biāo)的捕獲具有重要的實(shí)際意義。在空間非合作目標(biāo)捕獲技術(shù)中,視覺技術(shù)在其中扮演著重要的角色,視覺信息完成對(duì)機(jī)械臂控制、導(dǎo)航。機(jī)載相機(jī)對(duì)目標(biāo)星的成像過程中,完成對(duì)目標(biāo)星的運(yùn)動(dòng)分析、三維重建、位姿跟蹤以及抓捕位置的識(shí)別。各個(gè)步驟隨著抓捕系統(tǒng)與目標(biāo)星的距離遠(yuǎn)近依次進(jìn)行、循序漸進(jìn),獲取的信息也越加豐富、精確。盡管近年來機(jī)械臂控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺測(cè)量技術(shù)都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但如何實(shí)現(xiàn)對(duì)空間非合作目標(biāo)的自主、智能抓捕任然是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的研究課題。尤其是考慮到空間中嚴(yán)苛多變的光照條件、復(fù)雜的電磁環(huán)境以及機(jī)載計(jì)算機(jī)處理器有限的計(jì)算能力,這些都對(duì)空間視覺技術(shù)相對(duì)于地面環(huán)境提出了更高的要求。本文根據(jù)單目、雙目視覺理論、多視圖幾何理論以及基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù),提出了一套基于不同距離的空間目標(biāo)視覺測(cè)量檢測(cè)策略,并結(jié)合衛(wèi)星模型和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備開展了相關(guān)衛(wèi)星地面測(cè)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外空間非合作目標(biāo)抓捕策略和視覺技術(shù)的研究現(xiàn)狀、研究方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析,確定了基于視覺空間非合作目標(biāo)抓捕的基本途徑,即確定了本文的基本研究路線和研究?jī)?nèi)容,并在此基礎(chǔ)上根據(jù)相關(guān)理論搭建系統(tǒng)開展相關(guān)研究。為了在遠(yuǎn)距離時(shí)初步確定衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)速度以判定抓捕任務(wù)的可行性,視覺系統(tǒng)開啟監(jiān)控模式。通過從單目相機(jī)中提取連續(xù)的衛(wèi)星圖像,通過奇異值分解和羅德里格斯公式計(jì)算衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)角度;為了在中距離時(shí)較為精確地對(duì)衛(wèi)星的相對(duì)位姿進(jìn)行測(cè)量,引入立體視覺技術(shù),視覺系統(tǒng)開啟獲取模式。通過雙目相機(jī)測(cè)距并獲取衛(wèi)星稀疏點(diǎn)云,然后對(duì)相鄰點(diǎn)云做配準(zhǔn)以得到相對(duì)位姿結(jié)果,最后對(duì)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)三維重建;在近距離時(shí)完成對(duì)衛(wèi)星上機(jī)械對(duì)接裝置的識(shí)別,以實(shí)現(xiàn)最后階段的對(duì)接任務(wù),視覺系統(tǒng)開啟跟蹤模式。通過基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的目標(biāo)檢測(cè)方法,對(duì)衛(wèi)星上的太陽帆板連接架做高效可靠的檢測(cè)。最后開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述理論算法的有效性及可靠性,根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果,可以判定所采用的方法有效解決了上述難點(diǎn)、問題。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V528;TP391.41
【部分圖文】：

題背景及研究的目的和意義題研究?jī)?nèi)容源于軍委科技委 XXXX 重大項(xiàng)目。人類對(duì)外太空探索需求的不斷增加，空間技術(shù)的發(fā)展也迎來了新的例如空間站的建立和維修、在外空間進(jìn)行貨物的搬運(yùn)、衛(wèi)星的回收護(hù)、星球表面探測(cè)等工作會(huì)越來越多[1]。此外，人類頻繁的太空活動(dòng)斥著大量太空垃圾，它們對(duì)將來的太空探索有較大的潛在威脅，如了減小故障或失效造成的損失，并有效保護(hù)軌道資源，各國(guó)正在研、生命延長(zhǎng)及軌道垃圾清除為目的的在軌服務(wù)技術(shù)[2]。當(dāng)前，空間在要由宇航員艙外作業(yè)完成，然而在環(huán)境極為惡劣的太空，需要為宇高昂的生命保障系統(tǒng)，宇航員艙外作業(yè)的靈活性與時(shí)間也因此受到外艙外作業(yè)的危險(xiǎn)性也不容小覷。特別地對(duì)于高軌項(xiàng)目，航天飛機(jī)法將宇航員運(yùn)送到如此高的軌道上，因此迫切需要機(jī)器人在太空中高效地完成在軌服務(wù)任務(wù)。

1.2 國(guó)內(nèi)外空間非合作目標(biāo)抓捕研究現(xiàn)狀及分析1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀對(duì)于一般性的空間機(jī)器人抓捕任務(wù)而言，面對(duì)的對(duì)象為非合作目標(biāo)。這也意味著衛(wèi)星上沒用專門用于抓捕和對(duì)接的機(jī)械裝置和視覺靶標(biāo)，因此空間機(jī)器人在抓捕衛(wèi)星過程中必須具有一定的自主性和智能性。當(dāng)前絕大部分空間非合作目標(biāo)抓捕都還停留在地面試驗(yàn)驗(yàn)證階段。ETS-VII 是由日本開發(fā)的世界上第一個(gè)空間機(jī)器人，它率先完成了包括對(duì)接、目標(biāo)抓捕、零件更換和抓捕阻抗控制等在軌服務(wù)任務(wù)[3]。ETS-VII 空間機(jī)器人裝備有一個(gè)六自由度的空間機(jī)械臂，地面控制人員可以通過遙操作在大時(shí)延情況下，控制空間機(jī)械臂完成軸孔對(duì)接拔除操作[4]。在該項(xiàng)目中，研究人員還完成了對(duì)空間機(jī)器人以及衛(wèi)星的姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)。此外，日本還完成了針對(duì)國(guó)際空間站組裝的JEMRMS/SFA 機(jī)械臂項(xiàng)目，如圖 1-2 所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文歐洲航天局（ESA）開發(fā)了 ROGER（Robotic Geostationary Orbit Restorer）項(xiàng)目，該項(xiàng)目使用以機(jī)械手為末端執(zhí)行器的機(jī)械臂抓取衛(wèi)星太陽能帆板、三腳架等機(jī)械裝置，同時(shí)該項(xiàng)目也研究了將失效衛(wèi)星與太空垃圾移除軌道等軌道清除任務(wù)[5]。德國(guó)在衛(wèi)星在軌服務(wù)領(lǐng)域的研究一直處在歐洲前列，其中包括 GSV（GeostationaryService Vehicle）項(xiàng)目、CX-OLEV 項(xiàng)目、Smart-OLEV 項(xiàng)目、ESS 項(xiàng)目[6]等。其中德國(guó)宇航局（DLR）開展了著名的 DEOS 項(xiàng)目[7]。該項(xiàng)目開發(fā)了基于多傳感器融合的目標(biāo)識(shí)別算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)預(yù)測(cè)，該項(xiàng)目致力于實(shí)現(xiàn)合作目標(biāo)的抓捕對(duì)接、非合作翻滾目標(biāo)智能抓捕和抓捕組合體的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。德國(guó)開發(fā)的部分在軌服務(wù)項(xiàng)目如圖 1-3 所示。

【相似文獻(xiàn)】

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1 C.羅塞蒂,賀張;利用衛(wèi)星的全球通信、導(dǎo)航和監(jiān)視系統(tǒng)方案[J];世界導(dǎo)彈與航天;1988年07期

2 朱文耀,黃s

本文編號(hào)：2813816