【摘要】：近年來,隨著人類空間活動日益頻繁,在軌航天器不斷增多,空間失效航天器以及空間碎片帶來的問題引起了各國廣泛重視,它們不但占用了許多空間資源,還威脅著其他航天器的安全。與其他在軌航天器不同,它們的特點是不具備可協(xié)作的人工信標,且其形狀、大小、轉動角速度等信息完全未知。在這種情況下,無論是對故障航天器進行維修,還是對太空垃圾進行清理,首先要解決的關鍵問題即空間非合作目標的位姿測量問題。然而目前絕大多數非合作目標的測量方案仍需要已知部分先驗信息,如非合作目標類型和部分幾何特征,或者需要通過序列圖像收集先完成對目標的建模。針對這種情況,本文考慮利用同步定位與建圖(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)方法來解決非合作目標相對位姿測量問題,設計測量方案的同時搭建地面實驗平臺完成仿真驗證。論文的主要研究內容如下:首先,以在軌追蹤航天器為基礎構建了相對測量坐標體系,同時根據所用傳感器,分析推導了測量模型,研究了相機以及慣性測量元件標定算法并完成對硬件的標定實驗。在此基礎上研究了現有SLAM算法框架,分析推導了視覺里程計算法并針對非合作目標周期運動的特點引入回環(huán)檢測算法,利用數據集對算法進行了方法誤差分析。其次在基于視覺的測量方法的基礎上,針對空間非合作目標測量的特殊性給出了融合IMU的測量方案并分析了融合優(yōu)勢,設計實現了緊耦合的以單點RANSAC-EKF為基礎的視覺慣性里程計算法,并進行了方法誤差分析。最后,搭建了軟硬件結合的仿真實驗平臺,利用轉臺和衛(wèi)星縮比模型模擬非合作目標自旋運動,已標定的視覺慣性測量模組和計算機模擬追蹤航天器,在計算機上實時完成測量算法運行,得到仿真結果。通過對轉速、轉角以及周期回環(huán)偏差的分析,進一步驗證了前述測量算法的可用性。本文為空間非合作目標相對位姿測量提供一種新思路。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V52
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文外研究現狀視覺的目標位姿測量研究現狀目標覺的目標位姿測量是近年空間技術領域的研究熱點。最早該技會對接中。美國、歐洲和日本在這方面的研究較早，并成功將視交會對接等空間任務當中。在阿波羅計劃的交會對接系統(tǒng)中的逼近段使用攝像機為航天員航天員手動對接的基礎上，近年重點研究自動測量對接系統(tǒng)，美案包含 GPS 和視頻定位系統(tǒng)（VGS）[3,4]。當對接目標較遠時，利逐漸接近目標；當與對接目標距離 50m 時，采用 VGS 進行目標VGS 需要在對接航天器上安裝合作目標。其中美國的“軌道快驗證了交會對接任務中使用視覺測量的可行性。

技術研究現狀AM經過三十余年的發(fā)展，已形成較為固定的理論框架的算法。如今，SLAM 技術開始逐漸被應用于移動域。目前根據使用圖像特征點或使用整圖信息分為感器的不同又可分為單目、雙目以及 RGBD 相機方面，早期的 SLAM 實現是借助于濾波器[33-36]實量來存儲相機位姿及地圖點的三維坐標，然后通獲得新的狀態(tài)向量。在該領域 Davison 等首先提出實現了 StructurefromMotion 無法實現的實時性能，個稀疏的特征點地圖。如圖 1-2 所示，圖中的橢球分布，其在某個方向上越長表示它在該方向上的不展的卡爾曼濾波器（Extended Kalman Filter，EKF化導致不確定性的問題，后續(xù)有學者將無跡卡爾曼UKF）[37,38]和粒子濾波（Particle Filter，PF）[39,40]引

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文幀[41-43]的視覺 SLAM 逐漸發(fā)展起來，其中最具有代表性的是 ng and Mapping(PTAM)[42]，該論文提出一個簡單有效的提取關鍵幀定位與創(chuàng)建地圖分為兩個獨立的任務，在兩個線程上進行。后來 方法均采取這種前后端的框架，原因在于前端需要實時響應圖像數則沒有必要如此，只需在某些時刻與前端同步即可，這樣做大大降低。

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本文編號：2773486