空间非合作目标的三目立体视觉测量方法

针对在轨服务任务如何在近距离处获取空间非合作目标的相对位置和姿态的难题,提出一种三目立体视觉测量方法。首先利用三台呈等边三角形布置的大视场可见光相机获取图像;然后采用所提方法对特征点进行匹配;接着采用RANSAC方法解算被测目标在世界坐标系下的位姿参数;最后通过对非合作卫星模型的静止、位置移动和姿态转动进行实验。实验结果表明,静止状态下的相对位置精度优于2.2 mm,相对角度测量精度优于0.3°;当模型位置移动时,绝对位置精度优于3 mm;当模型姿态转动时,相对位置精度优于5.6 mm,相对角度测量精度优于1.7°,说明所提方法可以改善双目立体视觉技术在测量角度大的区域易出现测量盲区、特征点定位误匹配和测量视场有限的不足。     

一种面向空间非合作目标位姿测量应用的三维点云滤波算法

针对激光位姿敏感器获得的原始点云有噪声和直接参与解算消耗星上计算资源过大问题,给出一种适用于空间非合作目标位姿测量的点云滤波和特征提取算法。应用仿真的方法分别验证了算法滤除空间随机噪声和点云降采样的有效性,验证了特征点对目标位姿变化和高斯测量噪声的鲁棒性。在非合作目标绕飞、抵近、捕获全物理试验平台上,以扫描激光位姿敏感器获得的原始点云数据为输入,验证了算法在实际空间目标位姿测量中的性能。试验结果表明,该算法实现了原始点云93.1%的降采样,节省了92.9%的位姿解算时间,可有效提升星上数据处理的效率和姿态解算的实时性。     

激光投影成像式运动目标位姿测量与误差分析

为了实现室内运动目标位姿的高精度测量,建立了一套激光投影成像式位姿测量系统.该系统利用两两共线且交叉排列在同一平面上的点激光投射器作为合作目标捷联在运动目标上,通过与光斑接收幕墙的配合共同组成运动目标位姿测量基线放大系统,利用高速摄像机实时记录幕墙上投影光斑的位置,利用摄像机标定结果求解投影光斑的世界坐标,利用投影光斑之间构成的单位向量建立运动目标位姿解算模型.最后,根据测量原理推导了图像坐标提取、摄像机外部参数标定、光束直线度与目标位姿解算结果之间的误差传递函数.实验结果表明,当摄像机的视场范围为14 000mm×7 000mm时,测量系统的姿态角测量精度为1′(1δ),位置测量精度为5mm,且误差大小与目标位姿测量误差传递函数理论计算值一致,验证了本文提出的目标位姿测量方法与测量误差传递模型的准确性,能够满足目标位姿测量高精度的要求.     

基于正交柱面成像的空间物体位姿精密测量

针对航空、航天等领域大型装备组装对接过程中的大尺度空间物体实时的位姿测量需求,对现有基于面阵成像器件摄影测量系统的二维测角功能进行分解与重构,提出一种基于正交柱面成像的位姿测量新方法。该方法充分发挥线阵CCD器件一维角度分辨率高、采集速度快、处理简便等优势,以正交柱面成像光路简化了相机结构,并采用非参数标定方法校正了柱面成像畸变。针对空间物体姿态测量的坐标同步问题,研究了基于扩展卡尔曼预测的实时识别跟踪方法,实现了多个目标并行测量,并通过基于Rodrigues参数的姿态解算模型实现了实时姿态测量。实验结果表明,该测量方法得到的空间点三维坐标测量精度优于0.5mm,空间物体姿态解算在偏航、横滚、俯仰三个方向的最大测量误差分别为0.20°,0.12°,0.23°,具有较高的姿态测量精度。     

基于角度约束的目标位姿测量二义性剔除方法

为了有效解决单圆特征目标位姿解存在二义性的问题,提出了基于角度约束的目标位姿虚假解的消除方法。在相机标定好的前提下,在水平面上平移相机系统获得两幅或两幅以上具有圆特征的目标物图像,以圆形特征目标物的真实姿态角在相机坐标系下保持不变作为约束,可以有效剔除虚假解。可将该方法应用于末端安装摄像机的工业机器人,操控机器人做已知的平移运动从而有效剔除圆特征目标位姿的虚假解。通过实验验证,圆特征目标姿态角的绝对误差小于0.5°,然后可通过真实姿态选出对应目标的真实位置。该方法简单易行,不需要额外的高昂设备就能精确地定位出物体的真实位姿,成功率可达100%。     

基于弱透视成像模型的目标三维姿态测量

为了准确获取空间目标跟踪、视觉导航等领域中目标的三维姿态,进行了目标三维姿态单目视觉测量方法研究.提取图像目标的典型特征点构造出直角三角形,并通过其边长比例先验信息以及弱透视成像模型推导出目标三维姿态的单目解算算法.与传统测姿方法相比,该算法在相机焦距等内参量未知条件下依然可解算姿态,增大了测姿应用范围;与传统迭代测姿方法相比,避免了循环迭代求解过程,无需设置迭代初值,提高了解算效率.数值仿真试验结果表明目标在离相机1~3km成像时姿态测量误差低于1.5°;实际图像序列测量结果表明目标俯仰角和偏航角测量结果拟合残差小于1°,翻滚角拟合残差小于2°.实验验证了算法的正确性和稳定性,表明该算法在内参量未知条件下能有效测量中远距离成像目标三维姿态.     

大尺度阻隔空间姿态组合测量方法研究北大核心CSCD

针对大尺度空间姿态测量中因空间阻隔导致目标特征点遮挡的问题,提出了一种基于多传感器组合的姿态测量方法。通过数字水准仪与姿态探针实现被测特征点的单坐标基准测量,由特征点的水平高差和已知几何约束关系解算得到目标初始姿态值。在此基础上标定高精度倾角传感器与被测目标之间的姿态旋转矩阵,基于坐标变换理论可由传感器输出实时解算目标姿态。实验结果表明:在10 m范围内,姿态测量相对精度优于0.0015°,重复性测量误差小于0.0004°,适用于大尺度阻隔空间姿态的精密实时测量。     

基于影像-位置序图的光学测姿方法

针对空中飞行目标姿态测量问题,提出一种新的光学测姿实现方法,对光学多站测姿实施复杂、单站测姿成像要求高等问题进行改进。该方法充分利用了目标飞行连续影像信息和相应的外弹道位置数据,首先通过目标位置数据确定目标轴线向量起点,根据轴线向量终点的约束方程确定向量终点;然后通过偏航角、俯仰角与轴线向量起点、终点的关系,解算目标姿态角;最后通过姿态连续变化的先验信息,确定解算结果的唯一值。仿真计算和精度分析表明,可实现测姿误差总体小于1,表明提出的方法兼顾了便捷性和测量精度,具有较高工程应用价值。     

基于光束向量的空间运动目标姿态测量

为了实现空间运动目标姿态参数的高精度测量,采用一种基于光束向量的姿态参数测量系统.该系统在运动目标上安装直线光束作为合作目标,利用高速摄像机记录光束投影光斑在接收平面上的位置.基于平面单应性原理,通过光斑接收平面上9个原始特征点构造柔性标定靶标,实现高速摄像机的高精度标定.进而根据摄像机标定结果获得光束在世界坐标系中的方向向量,而光束在目标体坐标系中的方向向量可根据其安装位置获得.然后,根据光束在世界坐标系和目标体坐标系中的方向向量实现对目标姿态参数的高精度求解.实验结果表明,本文测量系统满足姿态参数测量误差小于1′(1σ)的要求,能够实现对空间运动目标姿态参数的高精度测量.     

基于TOF相机的空间非合作目标位姿测量方法

针对空间非合作目标近距离交会对接时较难获取精确位姿的问题,提出一种高效可靠的基于TOF(time-of-flight)相机的空间非合作目标位姿测量方法.利用TOF相机灰度图可存储光强的特点,用回光反射材质圆点标定板,提高了相机标定精度;基于边缘弧段组合的椭圆检测法计算目标表面对接环内外侧椭圆参数;基于局部阈值的区域生长法对深度图像进行连通域分析,通过面积、长宽比等约束提取出目标表面接插件;利用对接环与接插件建立目标坐标系并解算其在相机坐标系下的三轴位置与姿态角.搭建地面验证系统,通过对比本文方法与ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)方法4组100帧图像的实验结果,验证了该方法的鲁棒性与测量精度的准确性,说明TOF相机在非合作目标位姿测量领域具有广阔的前景.     

遮挡区域空间位姿的多传感组合测量方法研究

针对狭长区域模块间存在视野遮挡、对接区域尺寸微小等问题，提出了一种多传感器组合位姿测量方法。该方法采用了布置在模块前后的轮廓仪与激光位移传感器联合获取模块上特征平面点云数据，利用平面拟合与空间几何投影的方法解算出章动角的旋转与位置的平移偏差，结合固定在目标上倾角仪提供的水平角信息解算出进动角与自转角的旋转偏差，研制了自动对接平台样机，实现了对接区域相对位姿的间接测量。实验结果表明，系统的位置与姿态测量精度分别优于40 μm、0.02°，且测量稳定性与效益较人工测量有明显提高，证明了所提方法的有效性，满足对设备模块间的高精度位姿测量需求。     

基于双星双目跟踪方式的空间目标定轨技术研究

以天基监视为背景,主要研究了一种基于双星双目跟踪方式的空间目标定轨技术,其物理思想为:利用星载光学测量系统获得目标的相对方位指向与角度传感器测量系统获得卫星的姿态角变化和光电跟踪架的随动角信息,通过坐标变换和数据处理解算出目标在地心惯性坐标系中的绝对运动信息。依次从物理模型、坐标体系、定轨原理方面进行了描述和推导,获得了目标在地球坐标系下的测量方程,并且通过对天基监视卫星轨道模型、星载光电跟踪控制模型、光学成像模型分析后,进行了数学建模仿真,计算结果表明该定轨方法的可行性。     

基于MARG的无人机抗干扰系统的研究

由IMU或电子罗盘组成的无人机航姿测量系统易受载体有害加速度或周围局部磁场干扰导致姿态角解算不准确。针对该问题提出将自适应扩展卡尔曼滤波算法应用于该系统。在卡尔曼滤波算法中提出引入分段函数构造自适应测量噪声方差阵。相比于传统噪声方差阵的阈值判断方法,该方法提高了传感器信息的利用率,进一步减小了外界干扰对系统姿态估计的影响,最终提高了姿态角的解算精度。最后针对该方法进行了仿真分析和无磁转台实验验证,仿真和实验结果表明,该方法能有效提高无人机航姿测量系统的抗干扰能力,具有一定的应用价值。     

激光束空间位姿高精度标定方法

关节型激光传感器是新型的跨尺度空间、非接触三维坐标测量仪器。为使关节型激光传感器实现精密测量,需要精确标定其系统参数,尤其是标定激光束的空间位姿。提出一种基于平面靶标和球靶标相结合的激光束空间位姿标定方法。通过建立像素坐标系和世界坐标系的矩阵关系,得到激光点的三维坐标,进而通过直线拟合得到激光束的空间位姿。转台旋转轴的空间位姿通过最小区域圆拟合得到。实验结果表明,在1 m的测量范围内,传感器系统的最大距离测量误差约为0.05 mm,新标定方法准确有效。     

基于圆特征和异面点特征的位姿测量

通过增加常见的点特征为位姿测量提供空间几何约束,分析利用圆形目标和与之异面的特征点进行单目视觉定位时位姿解个数的情况.以光心和特征点位于圆平面两侧为前提条件,运用几何方法证明了特征点与光心和圆平面的相对位置决定了位姿解的个数,并求出唯一位姿解和两组位姿解时光心、圆平面和特征点的位置关系,提出了基于圆特征和异面点特征的位姿求解算法,实现了6维位姿量测量,仿真实验和实物实验结果验证了算法的有效性和准确性.     

机载光电系统探测空中机动目标的光谱辐射特征研究

深空背景中机动目标光谱辐射探测是目标机动模式和属性识别的重要研究内容.基于光谱散射和辐射理论,首先建立了复杂背景环境中目标反射背景辐射分布函数,然后根据气动加热引起的目标蒙皮温度场分布情况,建立了角水平和角俯仰的目标本征光谱辐射模型;结合空间目标运动方程和目标本体坐标系与探测器坐标系之间的旋转关系矩阵,重点分析了目标不同机动模式下光谱响应信号的时空过程性变化特点.仿真实验结果表明,探测器中的光谱响应信号因目标时空域的变化而呈现不同的特点,说明了目标机动模式与光谱响应信号间存在显著的特征映射关系,这为解决目标运动模式可分性问题提供了可行性,同时得出了目标姿态和空域相对位置是影响光谱响应信号特征的主要因素的结论.     

空间目标光学特性模拟实验研究

 通过不同材料、形状的空间目标模拟实验测量,研究了几种简单形状目标和卫星缩比模型的光学特性。结果表明：光源 目标 探测器的位置对目标的光学特性起决定作用,对于球体和柱体目标来说,光源和探测器的相位角是影响接收到光辐射的主要因素,而对于立体状目标,它的光学特性则与特定的入射角和观测角有关;对静止卫星而言,其光学特性主要受太阳能电池板对地夹角和观测面积的影响。该研究有助于实际观测数据反演空间目标的姿态,便于对空间目标特性数据进行归类和分发。     

由多台全站仪组成的馈源舱位姿动态测量系统

介绍了大射电望远镜 FAST光机电一体化的创新设计。给出了通过测量馈源舱不共线三点的空间坐标来解算舱体位置和姿态的方法。提出以先进的高精度动态跟踪测量仪器徕卡 TCA2 0 0 3全站仪为基本测量单元 ,组合六台TCA2 0 0 3为一套馈源舱位姿动态测量系统。由于系统的测量精度可达到 1mm,因此不仅为馈源舱的闭环控制提供了检测手段 ,而且可应用 Stewart平台精调系统所提供的舱体位姿信息进行逆运动学模型计算。     

采用散斑测量的复杂曲面叶片修复自适应定位

针对于航空发动机叶片修复过程中传统夹具定位无法满足复杂曲面叶片损坏形式多样的要求,提出了采用散斑测量的复杂曲面叶片修复自适应定位方法。首先,构建视觉测量系统,通过对叶片表面散斑点的匹配与空间解算得到叶片立体点云数据和参考测量点空间坐标,完成叶片三维构型。然后,建立自适应定位模型,通过对各定位坐标系进行位姿矩阵解算,实现欠定位装夹下曲面叶片在机床坐标系下的自适应定位。最后,基于德玛吉五轴数控加工中心进行自适应定位实验,验证了定位方法的有效性与实用性。实验结果表明,定位各方向平移向量偏差小于0.25mm,旋转矩阵欧拉角偏差小于0.2°,且通过一次装夹固定及视觉测量提取叶片形貌与位置信息,减少了定位工序,可为后续对损坏复杂曲面叶片加工复形的自适应定位修复提供实验依据。     

光电经纬仪姿态测量精度室内检测方法

为实现光电经纬仪等靶场光测姿态测量设备测量精度的室内测试和评价,介绍了光电经纬仪对空间轴对称目标的姿态交会测量的原理。利用检测架、平行光管、目标轮廓靶及光源室内模拟不同姿态角的无穷远目标。建立了利用目标特征点的方位角、俯仰角计算目标姿态角的精确数学模型。用高精度经纬仪对目标上的多个特征点进行测量,用最小二乘法按该数学模型对目标姿态进行拟合,得到模拟目标的姿态,经验证该方法的标定精度可达0.05°。以该标定结果为模拟目标姿态的真值,光电经纬仪对同一模拟目标姿态进行动态测量,将测量结果与真值进行比较,可确定光电经纬仪的姿态测量精度。