面向非合作目标的空间机器人双目视觉伺服研究

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1、硕士学位论文面向非合作目标的空间机器人双目视觉伺服研究BINOCULARVISIONSYSTEMOFSPACEROBOTFORNON-COOPERATIVETARGET刘阳哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP24学校代码：10213国际图书分类号：510.80密级：公开工程硕士学位论文面向非合作目标的空间机器人双目视觉伺服研究硕士研究生：刘阳导师：刘宏教授申请学位：工学硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:T

2、P24U.D.C:510.80DissertationfortheMasterDegreeinMechanicalEngineeringBINOCULARVISIONSYSTEMOFSPACEROBOTFORNON-COOPERATIVETARGETCandidate：LiuYangSupervisor：Prof.LiuHongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：

3、SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着人类对未知外太空探索的脚步越走越远，作为在轨服务的有效工具，空间机器人的受重视程度也越来越高，它不但能有效地减小宇航员在轨服务的风险，还在卫星回收、故障诊断等方面发挥着巨大的作用。本文以自由漂浮空间机器人视觉伺服为目标，研究了相机成像、非合作目标的识

4、别、立体重建等方面的内容，实现了非合作目标的位姿提取。通过建立自由漂浮空间机器人的运动学与动力学模型，进而完成了基于位置的视觉伺服系统的搭建，对于空间机器人在轨服务具有重要的指导意义。下面对其进行详细分析：首先，本文研究了相机成像原理，推导出相机的内外参数矩阵，并利用棋盘图完成了对双目鱼眼相机的标定。搭建了基于OpenGL的模拟双目建模平台，可用于验证相机标定、立体重建等视觉算法，在3D成像与立体重建领域具有重要意义。其次，为了能够适应不同的非合作目标，本文提出了基于BOW模型的物体识别算法。算法首先提取

5、图像的SIFT尺度不变特征，并利用K-Means算法对其进行聚类，得到组成图像的一个个“DNA”分子。通过分析不同图像的“DNA”构成实现对非合作目标的判别，进而通过直方图反向投影算法提取卫星基座的角点特征。然后，引入理想双目测距模型，开展基于对极几何的立体校正实验，使得双目图像序列同时满足无畸变及行对齐的要求。采用基于窗口的稀疏点灰度匹配算法提取视差图，进而完成立体重建，求得非合作目标的相对位姿。最后，本文对自由漂浮空间机器人进行建模分析。研究了基于Whitney矢量积法的正向运动学；利用阻尼最小方差法

6、进行逆向运动学建模以避免广义雅可比矩阵奇异及非方阵问题；借助空间矢量代数进行空间机器人的正向动力学建模；进而介绍基于牛顿-欧拉递推算法的逆向动力学。采用PD与前馈控制算法建立自由漂浮空间机器人路径规划仿真模型，将动力学成功引入传统的视觉伺服模型，最终完成基于位置的空间机器人视觉伺服系统的搭建。通过与SimMechanics仿真结果的对照，验证了算法的可靠性。关键词：空间机器人；双目视觉；目标识别；立体重建；视觉伺服I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofhu

7、manspaceexploration,asaneffectivetoolforon-orbitservice,increasinglyimportancehasbeenattachedtospacerobot.Itcannotonlyreducetheriskofastronautsinorbitservices,butalsoplayanimportantroleinsatellitesrecovery.Aimedatfree-floatingspacerobotofvisualservosystem

8、,thispaperintroducedalgorithmssuchascamerageometricrelationship,objectsrecognitionofnon-cooperativetargets,stereovisionandsoon.Byestablishingthefree-floatingspacerobot’skinematicsanddynamicsmodel,itcompletedthePBVSs