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空间非合作目标质心位置视觉测量方法研究

作　者: 谢堂涛
导　师: 于起峰
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 非合作目标 质心位置 视觉测量 质量分析 轴对称卫星
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


空间非合作目标的视觉测量方法在空间攻防对抗、空间碎片的处理、卫星在轨服务等方面有着广泛的应用,且具有被动、实时、非接触、高精度等优点,而开展质心位置视觉测量方法的研究对于分析空间非合作目标的运动具有重要意义。本文主要结合刚体运动学及动力学的理论,提出了利用目标表面上特征点的位置及速度计算其质心位置的新方法并进行了仿真。该方法不需要对目标进行操作,只需在目标转动时,利用视觉测量的方法确定目标表面上特征点的位置及速度,进而求解出目标的质心位置,具有普遍适用性。本文首先根据实际应用要求进行了视觉测量系统的设计,介绍了经典的双目视觉测量系统的精度分析方法,并在此基础上对本文所设计的测量系统进行了精度分析与验证。提出了利用特征点位置及速度进行非合作目标质心位置测量的新方法,即基于刚体运动学的质心位置测量方法,并进行了初步的仿真验证。明确测量条件的同时,讨论了在其他条件下可以测量的参数。采用将四元数动力学方程与欧拉动力学方程相结合计算轴对称卫星相对于惯性系的自由运动参数的方法,并通过龙格库塔法仿真出其运动参数。通过对简化模型的运动参数的仿真计算,验证了方法的正确性。利用仿真生成的轴对称卫星的运动参数,验证了目标的转动不是绕惯量主轴时,通过一段时间的观测即可实现质心位置测量的结论。最后,分析了目标旋转矢量、章动矢量、自转矢量、目标尺寸、拍摄时间、转动惯量等因素对测量精度的影响。本文为了便于仿真生成运动参数,选取了轴对称卫星这一特殊目标作为对象,但实际的质心位置计算中并未利用这一条件,本文所提出的基于刚体运动学的目标质心位置测量方法的适用对象仍是非合作目标。

全文目录


摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章 绪论  11-21
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 国内外非合作目标视觉测量技术研究现状及应用  12-16
    1.2.1 国内外非合作目标视觉测量技术研究现状  12-13
    1.2.2 国内外非合作目标视觉测量技术的应用  13-16
  1.3 国内外质心位置分析的研究现状  16-19
    1.3.1 质量特性计算的研究现状  16-17
    1.3.2 质量特性测量的研究现状  17-18
    1.3.3 质量特性辨识的研究现状  18-19
  1.4 本文的研究内容及结构安排  19-21
第二章 非合作目标视觉测量系统设计与精度论证  21-31
  2.1 双目立体视觉视场设计  21-22
  2.2 经典的双目视觉测量精度分析方法  22-25
  2.3 双目测量系统的精度分析与论证  25-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章 基于刚体运动学的质心位置测量方法  31-43
  3.1 非合作目标质心位置测量方法  31-35
    3.1.1 质心位置测量问题的分析  31-32
    3.1.2 旋转矢量及点速度不变分量的求解方法  32-33
    3.1.3 受到恒定外力作用下的质心位置求解  33-35
  3.2 质心位置测量方法的仿真计算  35-40
    3.2.1 特征点位置及速度的误差对测量精度的影响  36-39
    3.2.2 旋转矢量的夹角对测量精度的影响  39
    3.2.3 旋转矢量的大小对测量精度的影响  39-40
  3.3 其他条件下质心位置求解的讨论  40-42
    3.3.1 目标只有一个转动状态的质心位置确定  40-41
    3.3.2 已知质心位置初值的目标质心位置跟踪  41-42
  3.4 本章小结  42-43
第四章 轴对称自旋卫星的运动参数仿真与验证  43-55
  4.1 轴对称自旋卫星相对于体坐标系的运动分析  43-45
  4.2 轴对称卫星相对于惯性坐标系的运动参数仿真  45-49
  4.3 轴对称自旋卫星运动参数验证  49-53
  4.4 本章小结  53-55
第五章 轴对称自旋卫星的质心位置测量  55-64
  5.1 轴对称自旋卫星质心位置测量  55-57
  5.2 测量结果的精度分析  57-63
    5.2.1 旋转矢量大小对测量精度的影响  58-59
    5.2.2 章动角速度大小对测量精度的影响  59
    5.2.3 自转角速度大小对测量精度的影响  59-60
    5.2.4 转动惯量大小对测量精度的影响  60-61
    5.2.5 目标尺寸对测量精度的影响  61-62
    5.2.6 拍摄时间对测量精度的影响  62-63
  5.3 本章小结  63-64
结束语  64-66
致谢  66-67
参考文献  67-73
作者在学期间取得的学术成果  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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