本文關(guān)鍵詞：非合作姿態(tài)測(cè)量中的點(diǎn)云獲取與配準(zhǔn)方法研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著航天技術(shù)的發(fā)展,基于空間機(jī)器人的在軌技術(shù)服務(wù)需求日益迫切。理想的在軌技術(shù)服務(wù)希望基于空間機(jī)器人的自主操作完成任務(wù),自主操作的前提是實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)飛行器的相對(duì)姿態(tài)測(cè)量。面向合作目標(biāo)的相對(duì)姿態(tài)測(cè)量技術(shù)僅適用于預(yù)定飛行器,不能滿足自主操作從任意方向感知非預(yù)定目標(biāo)姿態(tài)的需求。因此,面向非合作目標(biāo)的相對(duì)姿態(tài)測(cè)量逐漸成為各國(guó)航天機(jī)構(gòu)重點(diǎn)研究的技術(shù)之一。本文針對(duì)空間中已知幾何外形的飛行器近距離自主操作需求,研究非合作姿態(tài)測(cè)量中基于雙目相機(jī)的目標(biāo)點(diǎn)云獲取和點(diǎn)云配準(zhǔn)方法,并在此基礎(chǔ)上完成非合作目標(biāo)相對(duì)姿態(tài)測(cè)量的應(yīng)用研究。首先,研究基于雙目相機(jī)的三維點(diǎn)云獲取,其核心為立體匹配。針對(duì)立體匹配的研究挑戰(zhàn)并結(jié)合飛行器的實(shí)際應(yīng)用需求,本文提出基于窗口的三維匹配代價(jià)聚合算法。該算法為每個(gè)像素構(gòu)建自適應(yīng)窗口,進(jìn)而使用順序進(jìn)行的水平和豎直方向掃描線優(yōu)化技術(shù)聚合窗口內(nèi)像素的匹配代價(jià)。自適應(yīng)窗口將像素限制在單個(gè)物體表面,掃描線優(yōu)化則允許像素視差連續(xù)變化。因此,窗口的視差聚合等價(jià)于在視差空間圖像中任意形狀的三維曲面進(jìn)行,突破了當(dāng)前立體匹配的瓶頸,給出了新的研究思路。在Middlebury大學(xué)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明:相比當(dāng)前主流的立體匹配算法,本文算法在保持計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)變化較小的前提下,較大幅度地提高了在傾斜平面的視差精度,并保持了局部算法在視差不連續(xù)位置的良好性能,有效提高了三維點(diǎn)云的計(jì)算精度。其次,研究基于連續(xù)距離場(chǎng)的點(diǎn)云配準(zhǔn)。當(dāng)前點(diǎn)云配準(zhǔn)中構(gòu)建連續(xù)距離場(chǎng)的距離標(biāo)準(zhǔn)為歐式距離的一階近似,隱形假設(shè)擬合模型的梯度值在整個(gè)路徑上恒定,極易導(dǎo)致配準(zhǔn)過(guò)程陷入局部最優(yōu)。本文將近似歐式距離微分化,并選擇梯度作為路徑密度來(lái)加權(quán)微分化的距離,最后經(jīng)過(guò)積分得出無(wú)近似的“等效距離”標(biāo)準(zhǔn)。本文進(jìn)一步基于“等效距離”構(gòu)建包含配準(zhǔn)參數(shù)的能量函數(shù),采用非線性最小二乘優(yōu)化建立基于等效距離的點(diǎn)云配準(zhǔn)算法。在公開(kāi)數(shù)據(jù)集上的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明:在已知目標(biāo)幾何外形時(shí),采用等效距離的點(diǎn)云配準(zhǔn)算法相比經(jīng)典的迭代最近點(diǎn)(ICP)算法在保持配準(zhǔn)精度的同時(shí),計(jì)算效率和收斂概率大幅提高;相比基于近似歐式距離的點(diǎn)云配準(zhǔn)算法,則有效改善了全局收斂性,進(jìn)而提高了收斂精度。最后,基于上述兩種算法完成非合作姿態(tài)測(cè)量的應(yīng)用研究,其核心是分析視差對(duì)姿態(tài)測(cè)量誤差和不確定度的影響。本文基于點(diǎn)云獲取和配準(zhǔn)算法完成對(duì)1U尺寸的Cubesat衛(wèi)星模型的非合作姿態(tài)測(cè)量,根據(jù)測(cè)量結(jié)果分析立體匹配的視差精度對(duì)姿態(tài)測(cè)量結(jié)果誤差的影響,證明了本文研究對(duì)提高測(cè)量姿態(tài)精度的意義。同時(shí),本文推導(dǎo)由視差波動(dòng)引起的姿態(tài)測(cè)量結(jié)果的不確定度,在此基礎(chǔ)上采用蒙特卡洛隨機(jī)仿真的方法,分析立體匹配的視差波動(dòng)對(duì)姿態(tài)結(jié)果不確定度的影響,驗(yàn)證了基于點(diǎn)云的姿態(tài)測(cè)量方法的魯棒性。
[Abstract]:In this paper , the relative attitude measurement for non - cooperative target is considered as one of the most important research techniques .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V441;TP391.41

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1362875