基于视觉的近距离非合作空天目标的相对位姿测量技术研究-检测技术与自动化装置专业论文.docx

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Automation Engineering Research on Measurement of Relative Pose between two Non-cooperative Spacecrafts in Short Range based on Computer Vision A Thesis in Measurement Technology and Automatic Instrument by Li Wenyue Advised by Prof. Xu Guili Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering March, 2012 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 南京航空航天大学硕士学位论文 基于视觉的近距离非合作空天目标的相对位姿测量技术研究 基于视觉的近距离非合作空天目标的相对位姿测量技术研究 i i PAGE PAGE iv 摘 要 随着人类对空间的不断探索和深入，空间飞行器交会对接、在轨服务等近场操作在空间计 划和任务中扮演着越来越重要的角色。要实现空间飞行器交会对接等近场操作，相对位姿的测 量是关键技术之一。 为了实现近距离非合作目标航天器的相对位姿的测量，本文研究基于双目立体视觉与三维 激光扫描仪相融合的近距离非合作目标相对位姿测量方法。在 100m-20m 阶段，立体视觉系统 从目标图像中识别出目标航天器，并对其进行轮廓提取和跟踪，获取目标航天器的方位角信息， 三维激光扫描仪测量目标航天器的相对距离信息；在 20m-2m 阶段，双目立体视觉系统与三维 激光扫描仪融合获取准确的深度信息，并利用几何结构确定目标航天器的相对姿态信息。 由于空间环境和光照条件的影响，立体视觉系统采集的目标航天器图像对在不同距离不同 角度存在着不同程度的图像退化，仿射变换和图像模糊是最普遍的图像退化。本文首先将仿射 不变矩和模糊不变量在数学原理上进行融合研究，以形成仿射模糊融合矩对目标航天器退化图 像进行识别；其次研究仿射模糊融合矩的尺度空间不变性，验证其在不同尺度空间的稳定性； 最后通过数学仿真实验和半物理仿真实验研究仿射模糊融合矩的仿射不变性和模糊不变性。实 验结果表明，应用仿射模糊融合矩对目标航天器的平均识别率达到 92%，远高于仿射不变矩的 76%。 为了实现目标航天器表面特征点的立体深度恢复，本文研究了目标航天器的立体匹配特征 提取。首先研究基于 Harris 算子的特征角点提取；其次由于追踪航天器通常配置宽基线立体视 觉系统，视觉系统采集的目标航天器图像对可能存在旋转、尺度和光照变化等问题，因此研究 基于 SIFT 算子的特征点提取和匹配；最后研究基于 Hough 变换的特征线提取，并提出基于激 光点位置的目标边界直线判定方法，解决目标边界直线无法稳定提取的问题。 在相对位姿测量阶段，在分析立体视觉的深度恢复原理的基础上，提出基于立体视觉的相 对位姿测量算法；并对相对位姿测量进行误差分析，根据立体深度恢复的原理，提出新的立体 深度和视差关系模型，极大地提高了立体深度恢复和相对位姿测量的精度。实验结果表明，模 型修正后在 1600mm 处深度恢复的相对误差由 9.2%减小到 0.75%，俯仰角、偏航角和滚转角与 参考点相差 45°时绝对误差分别降低了 0.35°、1.17°和 1.52°，基本能够满足非合作目标航 天器相对位姿测量的精度要求。 关键词：非合作目标航天器，立体视觉，三维激光扫描仪，目标识别，特征提取，立体深度恢 复，相对位姿测量 ABSTRACT With the development of space technology, proximity operations have become more and more important in many space-related applications, in which the me