面向在軌服務(wù)的航天器視覺導(dǎo)航與跟蹤控制方法.pdf

1、在軌服務(wù)是增強航天器性能、延長航天器壽命、降低費用和風(fēng)險、減少廢舊航天器數(shù)量等的有效手段，針對被服務(wù)航天器的跟蹤、交會及停靠等接近操控是服務(wù)航天器需要具備的基本功能，自主精確地獲取被服務(wù)航天器的相對狀態(tài)信息則是實現(xiàn)高精準接近操控任務(wù)的前提條件。本論文在國家國防科工局民用航天“十二五”預(yù)研項目“×××在軌維護與服務(wù)技術(shù)研究”和中國航天科技集團公司預(yù)研項目“×××在軌服務(wù)技術(shù)”等項目的資助下，面向非合作空間目標精準操控任務(wù)，圍繞基于單目視覺

2、的高精度相對位姿測量和目標跟蹤控制等諸問題進行深入理論研究，取得了如下創(chuàng)新性研究成果：
　　基于目標圖像的相對位姿解算算法是視覺敏感器的核心，針對利用被服務(wù)航天器自然特征導(dǎo)致的圖像特征提取和匹配粗大誤差問題，基于逆投影思想，給出了一種包含景深估計和絕對方位解算的兩階段迭代算法。該算法中景深變量的引入解決了由小孔成像投影所引起的非線性問題，確保了算法的全局收斂性；同時，在絕對方位解算階段，通過對姿態(tài)矩陣非凸約束進行凸松弛，將目標函數(shù)

3、最小化轉(zhuǎn)化為LMI約束下的最值求解問題，并利用內(nèi)點法進行最優(yōu)求解，保證了迭代算法的全局收斂性，提高了算法的魯棒性和快速性，并利用全局性收斂性定理證明了其全局收斂性。最后，以在軌服務(wù)航天器接近操控任務(wù)為背景對該算法進行了數(shù)學(xué)仿真，結(jié)果表明在特征點提取存在誤差影響情況下，算法具有較快的計算速度和良好的收斂性。
　　針對單目視覺測量系統(tǒng)面臨的視線軸方向深度信息缺乏以及輸出頻率受限等問題，考慮與慣導(dǎo)設(shè)備在輸出頻率以及頻域內(nèi)誤差特性的互補性

4、，分別在時域與頻域內(nèi)設(shè)計了視覺/IMU組合的多速率卡爾曼濾波和互補濾波算法。其中，多速率卡爾曼濾波器是以慣導(dǎo)傳感器采樣周圍為濾波周期，依據(jù)有無視覺信息決定在濾波時刻進行時間更新或者量測更新，并利用量測信息對量測噪聲陣和狀態(tài)協(xié)方差陣進行后驗修正的一種估計方法，該濾波器能夠有效提高組合導(dǎo)航濾波器的數(shù)據(jù)更新頻率，改善濾波算法的性能；依據(jù)視覺與慣導(dǎo)頻域內(nèi)的不同噪聲特性，設(shè)計了一種互補濾波器，理論分析了互補濾波器的穩(wěn)定性，數(shù)學(xué)仿真表明互補濾波器能

5、夠有效實現(xiàn)視覺與慣導(dǎo)頻率上的互補，并能夠用于狀態(tài)快速變化過程中的狀態(tài)估計。最后，構(gòu)建了視覺/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)的參數(shù)化CRLB模型，分析了視覺與IMU相關(guān)參數(shù)對導(dǎo)航精度的影響，為系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。
　　在軌接近操作中，將被服務(wù)航天器高精度穩(wěn)定在視覺相機視場內(nèi)是服務(wù)航天器的基本功能之一。為此，將空間目標像平面誤差引入跟蹤控制閉環(huán)，提出了一種增益切換的空間目標跟蹤PD控制律，由于直接使用目標在相平面中的視覺特征誤差量，

6、避免了視覺相機內(nèi)參數(shù)標定和空間目標位姿信息求解等過程，簡化了服務(wù)航天器系統(tǒng)配置。該算法通過引入開關(guān)函數(shù)對PD增益進行切換，提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及抗干擾性能。給出了控制器參數(shù)的估算方法，理論分析了增益切換PD控制律的收斂性。數(shù)學(xué)仿真表明能夠?qū)o止目標、復(fù)雜機動目標以及考慮服務(wù)航天器典型不確定性因素等情況進行快速跟蹤，驗證了視覺跟蹤控制策略的有效性，以及對多類型不確定性的魯棒性。
　　基于氣浮原理的航天器運動模擬系統(tǒng)能夠有效模擬在外層空