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基于双目立体视觉的GEO非合作目标位姿测量方法研究

作　者: 薛强
导　师: 徐文福
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 非合作目标双目立体视觉圆面特征位姿测量算法
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着世界各航天大国对GEO在轨服务的重视，非合作目标的位姿测量成为近年来的研究热点，本课题以此为背景提出了一种针对典型非合作GEO航天器的位姿测量算法，并建立了半物理仿真实验系统，开展实验研究。主要内容如下：首先，对非合作GEO航天器的目标特性进行了调研，确定了用于测量的目标特征。在对大量的国内外典型的在轨GEO航天器归纳分类后，分析其外观的几何特性，得出可用于测量的特征包括卫星本体、帆板支架、通信天线等。结合测量范围要求、目标尺寸和相机视场角进行计算分析后，本课题选择具有圆面特征的喷嘴-对接环作为非合作测量对象。在确定测量方案以后，针对非合作目标测量算法中需确定相机与世界坐标系相对关系的问题，研究了双目相机标定方法。在推导相机标定基本原理的基础上，根据相机在实际环境中的应用，简化标定几何模型，建立了基于圆点光标的相机标定方法，并仿真验证。针对典型非合作目标的几何特性，提出了一种非合作目标位姿测量方法。方法的核心是“单目特征识别+双目立体匹配”，即先分别对左右相机的图像进行处理并识别出期望特征，再将左、右图像特征进行立体匹配，从而得出圆心的相对位置、圆面法向量和半径。仿真结果验证了方法的有效性。为对所提出的位姿测量方法进一步验证，建立了一套半物理仿真实验系统，开展实验研究。该系统分别由图像采集与位姿测量计算机、图像生成计算机和真实相机等构成。其中，图像采集与位姿测量计算机实时采集相机图像并进行位姿测量；图像生成计算机接收图像采集与位姿测量计算机解算出的位姿数据并驱动模型更新；真实相机采集图像并传入图像采集与位姿测量计算机中。在实验研究中，针对仿真过程的误差特征，改进了方法，提高了精度，再次证实了算法的适用性。本文所提出的算法能准确测量GEO非合作目标的位姿，可为未来非合作目标的在轨服务提供参考。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题来源  10
  1.2 研究的背景和意义  10-13
  1.3 国内外相关领域的研究现状  13-17
    1.3.1 基于模型匹配的位姿测量法  13-14
    1.3.2 基于Tripod Operators的位姿确定法  14-15
    1.3.3 基于交叉直线特征的位姿确定法  15-16
    1.3.4 其他  16-17
    1.3.5 研究现状与发展趋势分析  17
  1.4 本课题的主要研究内容  17-18
第2章非合作GEO航天器目标特性的研究  18-25
  2.1 引言  18
  2.2 GEO非合作目标分类与调研  18-21
    2.2.1 典型的通讯卫星  18-19
    2.2.2 典型的军事卫星  19-20
    2.2.3 典型的火箭上面级  20-21
  2.3 GEO非合作目标的外形特征分析  21-22
  2.4 测量方案的设计和测量目标特征的选择  22-24
  2.5 本章小结  24-25
第3章双目相机标定方法的研究  25-37
  3.1 引言  25
  3.2 标定的基本原理  25-28
  3.3 基于圆点光标的单目标定方法  28-33
  3.4 基于双目相机的标定方法  33-34
  3.5 标定方法的仿真验证  34-36
  3.6 本章小结  36-37
第4章典型非合作目标的位姿测量算法  37-59
  4.1 引言  37
  4.2 测量模型和系统坐标系的建立  37-38
  4.3 非合作目标的位姿测量原理  38-43
    4.3.1 圆面特征的测量模型  38-41
    4.3.2 圆面特征的测量模型的应用  41-43
  4.4 非合作圆面的位姿测量算法  43-53
    4.4.1 算法整体流程  44-45
    4.4.2 算法具体步骤  45-52
    4.4.3 算法的程序流程  52-53
  4.5 全数字仿真实验  53-58
    4.5.1 静止目标的位姿测量仿真  53-56
    4.5.2 跟踪接近过程的目标位姿测量仿真  56-58
  4.6 本章小结  58-59
第5章半物理仿真系统及实验研究  59-83
  5.1 引言  59
  5.2 半物理仿真系统模型的建立  59-73
    5.2.1 系统模型的基本结构  59-61
    5.2.2 在半物理仿真系统中相机标定的应用  61-65
    5.2.3 仿真实现的基本思路  65-66
    5.2.4 真实相机椭圆与虚拟相机椭圆方程的对应转换  66-69
    5.2.5 转换示例  69-71
    5.2.6 网络数据传输类CLan  71-72
    5.2.7 图像采集类CPylon  72-73
  5.3 位姿测量实验  73-77
    5.3.1 静态目标位姿测量实验  73-75
    5.3.2 动态目标位姿测量实验  75-77
  5.4 误差分析与方法改进  77-82
    5.4.1 误差分析  77
    5.4.2 方法改进  77-80
    5.4.3 改进后的静态目标位姿测量实验  80
    5.4.4 改进后的动态目标位姿测量实验  80-82
    5.4.5 实验结论  82
  5.5 本章小结  82-83
总结  83-84
参考文献  84-88
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  88-90
致谢  90

基于双目立体视觉的GEO非合作目标位姿测量方法研究

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