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基于交会对接仿真平台的位姿测量系统研究

作　者: 谢志伟
导　师: 段广仁；宋申民
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 交会对接视觉测量特征点提取相机标定
分类号: V526
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

两个航天器在空间实现交会对接是一项高难度航天技术,而相对位姿测量技术更是交会对接过程中的关键技术。随着空间交会对接技术的发展,航天器的相对位姿的测量显得尤为重要。本文系统的研究了视觉测量中的摄像机标定、图像特征提取、相对位姿测量等技术。完成了相对位姿测量系统的设计和实现,通过对仿真平台实际实验中数据的检测,验证了本文设计的测量系统的可行性。本文研究了机器视觉中的相机模型和成像模型,根据CCD相机成像原理,分析了相机标定技术在视觉测量中的重要性,详细介绍了较为稳定和灵活的张氏标定算法,并利模板进行相机的标定,标定效果较好,为整个测量系统后续的特征点提取和坐标求取提供了精度依据。从实际需求出发,系统研究了的种子填充算法、特征点坐标提取算法、单目位姿测量算法、双目位姿测量算法,最后确定了较为快速的改进种子填充算法和对特征点需求较少的POSIT算法应用到视觉位姿测量中,保证了位姿计算的精度和计算效率。利用实验室现有设备和平台,进行了整个测量系统的软件设计和硬件结构设计安装,针对单目视场角受限和目标体可能受到遮蔽的情况,使用了单双目混合计算并融合IMU数据的设计方案,在实际仿真平台中经多次试验效果较好。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-13
  1.1 课题背景和来源  8
  1.2 国外交会对接测量技术现状和发展  8-12
  1.3 本文的主要研究内容  12-13
第2章相机标定  13-25
  2.1 标定基础知识  13-20
    2.1.1 坐标系定义  13-15
    2.1.2 刚体变换过程的表示法  15-17
    2.1.3 相机线性模型  17-19
    2.1.4 非线性模型  19-20
  2.2 张正友标定方法简介  20-23
  2.3 标定实现  23-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章相对位姿算法  25-40
  3.1 求取目标特征点坐标  25-29
    3.1.1 改进的种子填充算法  25-28
    3.1.2 特征点中心坐标提取  28-29
  3.2 单目位姿算法  29-32
    3.2.1 问题定义  29-30
    3.2.2 POSIT 算法方程的建立  30-32
  3.3 双目位姿算法  32-36
    3.3.1 双目成像位姿算法  33-35
    3.3.2 光轴平行时光学精度分析  35-36
  3.4 滤波算法  36-39
  3.5 本章小结  39-40
第4章位姿测量系统实现  40-57
  4.1 系统硬件配置与设计安装  40-45
    4.1.1 双目安装基线长度的确定  42-43
    4.1.2 CCD 相机配置  43-44
    4.1.3 目标器配置和光源处理  44-45
  4.2 测量系统软件设计方案  45-48
    4.2.1 软件基本流程  46-47
    4.2.2 软件系统的设计和实现  47-48
  4.3 视觉和陀螺数据融合  48-56
    4.3.1 扩展卡尔曼滤波算法  49-50
    4.3.2 陀螺及视觉测量模型  50-51
    4.3.3 姿态运动学方程及线性化  51-53
    4.3.4 数据融合算法  53
    4.3.5 数据融合仿真结果  53-56
  4.4 本章小结  56-57
结论  57-58
参考文献  58-62
致谢  62

基于交会对接仿真平台的位姿测量系统研究

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