【摘要】：視覺測量作為航天器或空間機器人重要的感知方式,經(jīng)歷了遙操作監(jiān)視、合作目標和半合作目標測量的發(fā)展。而作為下一代空間任務(wù)支撐性技術(shù)的非合作目標測量尚處于起步階段,面臨艱巨挑戰(zhàn)。由于非合作目標無法提供用于位姿測量的相關(guān)信息,測量系統(tǒng)在魯棒性、適用范圍和計算能力等方面的需求明顯高于現(xiàn)有測量技術(shù)。因此,本課題以在軌服務(wù)任務(wù)中非合作目標測量需求為導向,針對視覺測量相關(guān)技術(shù)進行了深入研究,通過對關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新和改進實現(xiàn)了基于1D激光測距與單目視覺融合的非合作目標測量方法。主要工作如下,首先,本課題建立了 1維激光與視覺組合測量系統(tǒng)的數(shù)學模型,提出了非迭代的單張圖像相機內(nèi)參數(shù)標定方法和一種快速魯棒的傳感器外參數(shù)標定方法,兩種方法共同實現(xiàn)了系統(tǒng)模型參數(shù)的快速魯棒標定。與經(jīng)典方法相比,我們所提的相機標定方法在相同標定精度下有效提升了計算效率,而傳感器外參標定方法有效降低了系統(tǒng)標定的復雜度和提高了易用性。隨后,針對非合作目標測量的需求,我們對現(xiàn)有算法進行改進,分別提出了一種魯棒的多視圖初始化方法和一種高精度的魯棒位姿估計算法。初始化方法基于基礎(chǔ)矩陣約束通過隨機采樣一致性剔除誤匹配點的干擾,較現(xiàn)有算法明顯提高了計算效率和在復雜場景下的魯棒性。所提位姿估計算法的改進保證了系統(tǒng)在較少追蹤點的情況下即可穩(wěn)定測量,一定程度上克服了非合作目標缺乏顯著特征的問題。以上改進均提升了系統(tǒng)的魯棒性和測量精度。對于激光與視覺融合的核心問題,我們提出了 1D激光距離信息和單目視覺信息在一般場景下的融合方法。通過恢復激光光斑周圍的目標表面建立單點激光光斑與圖像稀疏特征點的關(guān)聯(lián),求解絕對尺度,實現(xiàn)了目標在歐氏空間的重建和位姿測量。并通過尺度估計實驗驗證了該融合方法的有效性和估計精度,為1D激光測距與單目視覺融合的測量方案建立了完整的理論支撐。此外,針對長時間測量中誤差累積的問題,我們提出了基于融合后的尺度信息監(jiān)測系統(tǒng)誤差,并在必要時刻調(diào)整局部結(jié)果抑制尺度漂移的解決方法。該方法經(jīng)過實驗證明,可以有效保證長時間測量過程中系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性。同時構(gòu)建基于回環(huán)的全局位姿圖優(yōu)化問題,在大尺度上保證了系統(tǒng)的測量精度和適用性。在以上研究成果的基礎(chǔ)上,我們完成了數(shù)值仿真、高精度轉(zhuǎn)臺實驗、公開數(shù)據(jù)集實驗、移動平臺實驗等多組實驗,分析了本課題所提方法的性能。并從目標特性的不同、運動狀態(tài)的差異、環(huán)境條件的改變等多個維度評估了所提方法的測量精度以及適用性,證實了基于激光與視覺融合的非合作目標重建與位姿測量方法的可行性。為我國非合作目標的在軌重建和測量提供了完整的技術(shù)思路。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院光電技術(shù)研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.41;TN249
【圖文】：

“天空實驗皇”上放障的太陽翼［５］；先后５次對哈勃空間翟遠鏡（ＨＳＴ）的維修和逡逑保養(yǎng)從而使得叟遠鏡的性能和可靠性顯著提升，如圖１．２ａ［６］；還有“和平號空間逡逑站”在１９８６年至２００１年服役１５年間的多次維修、更換設(shè)備和在軌裝配等任逡逑務(wù)逡逑⑷升級哈勃望遠鏡邐（ｂ）邋ＲＲＭ機械臂操作示意圈逡逑圖１．２早期在軌服務(wù)逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ａｓｔｒｏｎａｕｔｓ邋ｗｏｒｋ邋ｉｎ邋ｓｐａｃｅ．逡逑但考慮到宇航員出艙存在諸多限制［８］，遙操作機械臂的應(yīng)用優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)。逡逑它可以通過視覺監(jiān)控目標狀態(tài)，人工遠距離操作完成簡單任務(wù)。加拿大研制了人逡逑類航天史上第一個航天飛機機械臂系統(tǒng)邐ＳＲＭＳ（ｓｐａｃｅ邋ｓｈｕｔｔｌｅ邋ｒｅｍｏｔｅ邋ｍａｎｉｐｕｌａ－逡逑ｔｏｒ邋ｓｙｓｔｅｍ）［９］。如圖邋１．２ｂ所示，美國邋ＮＡＳＡ邋的邋ＲＲＭ邋任務(wù)（Ｒｏｂｏｔｉｃ邋Ｒｅｆｕｅｌｉｎｇ邋Ｍｉｓｓｉｏｎ）逡逑２逡逑

的ＶＧＳ（Ｖｉｄｅｏ邋Ｇｕｉｄａｎｃｅ邋Ｓｅｎｓｏｒ）系統(tǒng)，在抓捕過程中采用合作目標視覺測f埢袢″義匣當勰┒擻肽浚Ｊ拘牽南嘍暈蛔�，引导操醉d鬧蔥校郟保叮蕁８孟低塵啻紊�，先辶x蝦笥τ糜冢櫻裕櫻福泛停櫻裕櫻梗檔雀帕吭諼�，茧H躚馗鍶繽跡保乘盡ｅ義洗送�，茰O恍┕乙慚蟹⒘聳泳醪飭肯低常緡分拊冢粒裕趾停齲裕窒钅恐繡義鮮褂玫模鄭椋洌澹錚恚澹簦澹蠆飭肯低澈投礪匏溝模希牛酉低常郟保罰蕕�。我国遗撾惰�占浣換徨義隙越友兄屏撕獻髂勘瓴飭肯低�，该系统采訌涽动发光的韩I髂勘輳冢玻浚保叮埃矸跺義希饒謔迪鄭椋艟鵲畝ㄎ緩筒庾�？，并灾G裰巰盜蟹紗胩旃越又械玫窖櫓ぃ郟保梗蕁ｅ義希保保蒼諮腥撾襝腫村義顯諍獻髂勘晡蛔瞬飭浚泳漲鞒墑斕南衷冢約褐Ｐ突蠆糠中畔⒌腨"合逡逑作目＇標測量技術(shù)己成為成為各航天強國角逐的：ｉ要領(lǐng)域。美國在該領(lǐng)域長期處逡逑于前沿。早在ＨＳＴ的維護升級中就曾提ｍ若干基于半合作目標的視覺測f埛藉義戲ǎ繾勻惶卣魍枷袷侗鶿惴ǎǎ危疲桑遙郟擔鶯停眨蹋裕希遙垮澹校常牛叩�。ＤＡＰ＿b磷手隋義希沖義

本文編號：2803949