基于單目視覺的航天器相對導航理論與算法研究.pdf

1、基于單目視覺系統的航天器相對導航理論是航天器接近任務的一項關鍵技術，本學位論文結合國家安全重大基礎研究項目：“微型航天器新概念、新機理研究”(課題編號：51312)的子課題“微型航天器自主生存的理論與方法研究”，對基于單目視覺系統的合作與非合作航天器相對位姿導航參數確定理論進行深入研究，具體工作如下： 在綜合分析各國提出的基于視覺空間目標監(jiān)視、檢測或逼近等演示驗證任務的基礎上，提出了基于單目視覺實現空間目標檢測、定位、跟蹤和運動

2、控制諸功能的非合作航天器單目視覺相對導航系統方案。推導了在不同目標特征的可分辨約束下，單目視覺測量系統的有效測量范圍與目標特征的尺寸特征參數、視覺敏感器焦距和像素間距等之間的約束關系式，最后利用成像系統的角分辨率分析了視覺測量系統的測量精度，為航天器視覺系統的分析和設計提供必要的理論基礎。 針對合作航天器的單目視覺相對位姿導航參數確定任務，提出了四個特征光標非共面設置方案，基于該設置方案將相對位姿確定問題轉化為像平面空間內的非線

3、性優(yōu)化問題，推導了合理的優(yōu)化算法。為提高迭代算法的收斂速度，基于比例正交投影近似成像模型進一步給出了相對位姿導航參數確定解析算法，為迭代算法提供精確的迭代初值。 針對非合作航天飛行任務中無法在目標航天器上安裝特定光標，提出了充分利用目標航天器自身的結構，將目標航天器簡化為可觀測特征的特征模型，實現基于特征的相對位姿導航參數確定方案。針對僅能利用目標航天器上的自然特征而產生粗大誤差的問題，給出了采用隨機化隨機采樣表決算法的相對位姿

4、導航參數確定魯棒算法?；谀嫱队熬€思想，將迭代過程分解為深度恢復和最小二乘擬合兩個階段，推導出了相對位姿導航參數確定迭代算法，并給出了基于3特征點的解析算法，為迭代算法提供精確的迭代初值，最后基于POV-Ray和Matlab軟件建立了單目視覺相對位姿導航參數確定的數學仿真系統，并以哈爾濱工業(yè)大學牽頭研制的“試驗衛(wèi)星一號”為目標航天器進行了數學仿真，驗證了本文算法的魯棒性和有效性。 以帶有單軸驅動太陽翼的航天器為非合作逼近目標的單

5、目視覺相對位姿導航參數確定為主要研究內容，創(chuàng)新性地提出了充分利用目標航天器上豐富的自然特征信息，在共形幾何代數框架內推導了多特征融合的相對位姿導航參數確定優(yōu)化算法，基于Rosenhahn等人在共形幾何代數框架內建立的Faugeras分層視覺，利用共形約束方程建立利用點、直線等特征的鏈狀目標航天器相對位姿導航參數確定多特征融合數學模型，并利用多矢量微分理論，基于幾何優(yōu)化理論推導了求解相對位姿導航參數的最優(yōu)化算法。最后以美國的雷達成像照相偵