学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于多点合作目标的多线阵CCD空间物体姿态测量的研究

作　者: 李晶
导　师: 袁峰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 姿态测量点合作目标 Rodrigues参数 BP神经网络线阵CCD校准
分类号: TP274
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 133次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着科学技术的不断发展，空间物体的姿态测量在航空、航天、航海、军事等不同领域的应用越来越广泛，随之在不同的应用领域也出现了不同的测量方法。在测量处于悬浮状态下的空间运动物体的姿态时，目前现有的通用姿态测量方法由于系统复杂，成本高，图像传感器分辨力低、速度慢等缺点不适合对这种悬浮状态下姿态快速变换的空间物体的姿态参数进行精确测量。因此，研究一种更加适合悬浮状态下空间物体的姿态测量方法势在必行。课题“基于多点合作目标的多线阵CCD空间物体姿态测量的研究”的目的是对处于悬浮状态下姿态快速变换的空间运动物体的姿态测量进行深入的研究，探讨研究一种结构更加简单同时测量性能更高的外姿态测量系统，建立有效的姿态解算模型，以及探讨提高线阵CCD相机校准精度的方法，为高精度的姿态测量提供理论依据。本课题的研究应用于对空间物体姿态测量的悬浮试验，并可对空间物体内部装有惯导设备的内姿态测量方法进行校验，在国内的三维运动测量中也有广泛的应用前景。本文首先给出了基于线阵CCD的外姿态测量系统的基本工作原理，并简单地介绍了传统的线阵CCD外姿态测量系统，分析了传统的测量系统由于采用六个相机九个线阵CCD使得系统过于复杂，且这些相机位置间的关系约束条件太多造成非线性等系统误差，测量的均匀性差，校准参数个数相应增加等问题。从这些问题入手，研究了一种采用三个线阵CCD相机同时测多个点合作目标的外姿态测量系统，将被测物体的点合作目标同时点亮，由柱面透镜和线阵CCD组成的三个一维相机对其同时进行测量，并分析了三个线阵CCD相机的布局对测量空间的影响，同时提出了一种通过模拟计算的方法对姿态角范围限制进行计算，为进行姿态测量提供了理论指导。为了提高姿态参数的解算速度和精度，进一步可以提高系统的实时性，对各种姿态描述方法进行了分析，并合理地选择了Rodrigues参数姿态描述方法，结合本系统的结构特点，提出了基于Rodrigues参数和多点合作目标构成的线段间的相交矢量相结合的姿态解算模型，并根据四组Rodrigues参数的模不同时为无穷大的原理对其进行切换，解决了方法奇异性的问题，建立基于Rodrigues参数的姿态解算模型对空间目标进行姿态解算。同时分析了空间点的测量位置误差对姿态解算结果的影响，研究了不同的姿态解算方法对空间点位置误差的敏感程度。为了提高线阵CCD相机姿态测量系统校准的精度，提出了基于BP(BackPropagation)神经网络校准线阵CCD相机的方法。解决了采用直接线性变换法校准相机时忽略的镜头畸变和系统误差等非线性误差的问题，不需要建立复杂的非线性补偿模型，简化了计算。充分利用了BP神经网络能够实现从输入到输出的任意非线性映射的特点，通过训练学习三维空间物体标识点与其在线阵CCD像点之间的非线性映射关系，实现外姿态测量系统线阵CCD相机的校准，直接恢复空间点合作目标的三维信息。最后对课题所提出的方法和模型进行了实验验证。首先，对所提出的基于BP神经网络校准线阵CCD相机的方法进行了实验验证。实验表明：使用全站仪测量点合作目标的三维坐标时，采用BP神经网络对线阵CCD相机校准，误差波动性比DLT方法减小了93%。其次，对所建立的姿态解算模型进行了实验验证。实验表明：在未损失计算精度的前提下，采用Rodrigues参数法解算姿态的速度比四元数法提高了37.6%。在实际测量时，本系统姿态测量结果优于传统系统。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-40
  1.1 课题研究的背景及意义  15-17
  1.2 外姿态测量方法综述  17-30
    1.2.1 遥测法  17-20
    1.2.2 光学测量法  20-30
  1.3 线阵CCD姿态测量的国内外研究现状  30-37
  1.4 现有技术存在的主要问题  37-38
  1.5 论文的主要研究内容  38-40
第2章多线阵CCD外姿态测量系统  40-52
  2.1 引言  40
  2.2 基于合作目标的测量方式  40-41
  2.3 系统测量原理  41-47
    2.3.1 柱面透镜成像原理  41
    2.3.2 一维相机模型  41-42
    2.3.3 光点三维定位系统  42-43
    2.3.4 多线阵CCD物体外姿态测量系统  43-47
  2.4 相机布局对测量范围的影响  47-49
  2.5 测量原理对姿态角范围的限制  49-51
  2.6 本章小结  51-52
第3章多线阵CCD空间物体姿态测量的姿态解算模型  52-78
  3.1 引言  52-53
  3.2 摄像机成像模型  53-55
  3.3 外姿态测量系统中的坐标系及其转换关系  55-58
    3.3.1 透视投影模型中的坐标变换  55-57
    3.3.2 姿态解算模型中的坐标变换  57-58
  3.4 基于四元数的姿态解算算法  58-64
    3.4.1 规范化四元数  58-59
    3.4.2 空间定点旋转的四元数表示  59-62
    3.4.3 空间物体姿态的四元数解算  62-64
  3.5 基于Rodrigues参数的姿态解算模型  64-71
    3.5.1 四元数的三维超平面投影  64-65
    3.5.2 姿态解算模型的建立  65-67
    3.5.3 奇异性问题的解决  67-71
  3.6 仿真实验及结果  71-75
  3.7 点合作目标相对位置不满足算法约束时的解决方法  75-77
  3.8 本章小结  77-78
第4章外姿态测量系统的线阵CCD相机校准  78-94
  4.1 引言  78-79
  4.2 基于直接线性变换的线阵CCD相机校准  79-83
    4.2.1 线阵CCD相机校准的DLT数学模型  79-82
    4.2.2 线阵CCD相机校准的抽象模型  82-83
  4.3 基于BP神经网络的线阵CCD相机校准  83-88
    4.3.1 BP神经网络算法  83-85
    4.3.2 BP神经网络校准线阵CCD相机的训练过程  85-87
    4.3.3 BP神经网络的函数逼近能力  87-88
  4.4 实验及分析  88-93
    4.4.1 样本数据的获取  88-91
    4.4.2 参数设置及训练  91
    4.4.3 实验结果  91-93
  4.5 本章小结  93-94
第5章实验结果与分析  94-103
  5.1 引言  94
  5.2 线阵CCD相机校准的验证实验  94-96
  5.3 线阵CCD像点位置求取  96-98
  5.4 姿态解算模型验证实验  98-100
  5.5 重复性实验  100-102
  5.6 本章小结  102-103
结论  103-106
参考文献  106-115
攻读学位期间发表的学术论文  115-117
致谢  117-118
个人简历  118

基于多点合作目标的多线阵CCD空间物体姿态测量的研究

内容摘要

全文目录

相似论文