基于空间目标对接环的视觉测量算法设计与实现.pdf

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1、硕士学位论文基于空间目标对接环的视觉测量算法设计与实现DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHEVISUALMEASUREMENTALGORITHMBASEDONTHEDOCKINGRINGOFSPACEOBJECTS李向宇哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TTP391.4学校代码：10213国际图书分类号：004.94密级：公开工学硕士学位论文基于空间目标对接环的视觉测量算法设计与实现硕士研究生:李向宇导师:丛明煜教授申请学位:工程硕士学科:光学工程所在单位:航天学院答辩日期:2018年6月授予学位单位:哈尔滨工业大学

2、ClassifiedIndex:TP391.4U.D.C:004.94DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHEVISUALMEASUREMENTALGORITHMBASEDONTHEDOCKINGRINGOFSPACEOBJECTSCandidate:LiXiangyuSupervisor:Prof.CongMingyuAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:OpticalE

3、ngineeringAffiliation:SchoolofAstronauticDateofDefence:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要基于光学敏感器的视觉测量技术广泛应用于航天器交会对接、在轨服务等空间任务中，是世界各国航天领域研究的重点课题之一。视觉测量算法作为视觉测量技术的核心内容，其测量准确性与稳定性直接影响到导航信息的质量与有效性，是空间交会对接、在轨服务等任务成功执行的前提条件。本文以空间交会对

4、接逼近与抓捕阶段视觉导航任务为主要研究背景，立足于测量算法设计与地面验证，对空间交会对接过程视觉测量算法与视觉测量系统仿真方法开展了深入的研究。论文的研究工作主要从以下三方面开展：在总体技术研究方面，考虑到实际空间交会对接逼近与抓捕任务的具体需求，设计了利用双目视觉系统与单目手眼视觉系统组合导航的总体方案，对于交会对接逼近与抓捕阶段分别利用双目视觉系统与单目手眼系统实现相对导航任务。系统的总体设计工作主要包括：系统组成分析、系统流程设计、仿真软件系统设计等。在视觉测量算法研究方面，针对空间交会对接不同阶段提出了两种不同的位姿解算方法：对于交会对

5、接逼近阶段，提出了一种基于对接环圆特征的双目位姿解算方法，该方法通过双目相机分别提取与识别对接环圆特征，利用单个相机下空间圆位姿恢复的方法实现空间圆位姿解算，但存在二义性，最后综合双目相机的结果获得了唯一的位姿解；对于交会对接抓捕阶段，提出了一种基于对接环局部特征的单目相机位置解算方法，该方法首先从图像中提取出对接环局部特征，然后根据空间圆的回转不变性选取该局部特征上一空间稳定点作为导航特征点，最后利用单目相机与激光测距仪实现该导航特征点的位置解算。在视觉测量仿真技术研究方面，本文设计并实现了一套地面仿真测试系统，开展了包括系统总体方案设计、测

6、量算法设计、硬件选型、软件系统集成、测试系统评估等工作。该测量仿真系统运行稳定，能够实现交会对接与抓捕过程导航任务的地面仿真，且测量精度满足实际工作需求，可以为航天器视觉测量系统的研制提供地面验证环境。关键词：视觉测量；视觉仿真；位姿解算；对接环；圆特征-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractThevisualmeasurementbasedontheopticalsensorhasbeenwidelyusedinthespacemissionsuchasspatialrendezvousanddockingandon-orbits

7、ervicing.Asthecorecontentofthevisualmeasurementtechnology,theaccuracyandstabilityofthevisualmeasurementalgorithmshavedirectimpactonthequalityandeffectivenessofthenavigationinformation.Asaresult,itistheprerequisiteforaccomplishingtherendezvousanddockingandon-orbitservicingmis

8、sion.Thisarticletakesthevisualnavigationintheprocessofapproachingandgrabbin