基于ICP算法的手术导航三维配准技术

针对计算机辅助手术三维导航技术中术前CT图像与术中实际空间的配准问题,提出一种基于最近点迭代(ICP,Iterative Closest Point)算法的特征点云配准技术.利用医学图像空间和实际空间特征区域的两片点云坐标进行三维配准.对CT图像进行重建、分割及交互式操作得到医学图像特征点云;利用光学定位仪实时采集实际空间中对应区域的点云;通过主元分析(PCA,Principal Component Analysis)获取两组点云数据的特征向量进行初配准;进行最近点迭代使配准矩阵收敛到一个最优解,其中采用k-d tree寻找邻近点加速迭代过程.以塑料脊柱模型骨为对象进行了脊柱手术导航配准精度实验,进一步对实验中的点云数据加入高斯噪声以进行误差分析.结果表明这种配准方法简单可靠,在模型骨情况下配准精度在1mm以内.     

基于霍夫变换的空间非合作目标点云配准算法

针对空间非合作目标点云配准过程中目标残缺、机动过快等问题，对飞行时间深度(TOF)相机点云配准过程进行研究。利用相机可同时获取灰度与深度图的特点，提出一种基于霍夫变换的点云配准算法，在提供精确初始位姿的同时，也加速了最近点搜索过程。对TOF相机摄得灰度图进行边缘检测，利用边缘点以随机霍夫变换的方法拟合椭圆中心，使待配准点云与参考点云中心配准。随后检测图像几何特征，与对应参考点特征相配，提高初始位姿精度，既避免所提算法陷入局部最小，也可解决目标点云缺失无法配准的难题。在最近点搜索过程中，引入kd-tree改进算法，以3σ准则剔除单次k邻近的离群点，提高了相机动态性能。以某实拍卫星模型对所提算法进行仿真分析，成功验证了其对于残缺目标配准的可行性与鲁棒性。同时，在完整与残缺点云目标下，所提算法较于常规霍夫变换法相比分别提速955.3%和440.4%，且精度相当，具有较为广泛的应用前景。     

基于几何不变性和BP网络的二维目标识别算法

提出了一种基于几何不变性和BP网络的二维目标识别算法.该算法不仅能适应目标物体在旋转、缩放和平移变换(RST变换)下的不变性识别,而且能适应仿射及射影变换下的不变性识别.算法通过对目标物体边缘点进行规格化和对规格化后的边缘点进行5点不变量穷举计算解决了模型图像与目标图像的对应点选取问题;通过将不同观测方位和不同旋转角度的样本图像边缘点的5点不变量集合作为输入向量对BP网络进行训练解决了由于仿射和射影变换造成规格化边缘点间距变化对正确分类的影响.算法不仅能识别多边形而且能识别曲线轮廓的目标物体.      

基于Kriging算法的手术导航三维形变技术

针对计算机辅助手术三维导航技术中无法利用术前CT重建模型进行病人个体化手术的问题,提出一种基于克里金(Kriging)算法的三维骨骼形变(bone morphing)技术.利用术中采集和医学图像模型的两片点云进行配准,在CT重建模型上选取4个合适的控制点,通过求解Kriging算法建立的方程组,获得CT重建模型上所有点相对于实际病例变形后的位置,实现医学图像模型向个体化的变形.最后,以人体股骨CT模型和塑料模型为对象进行了形变的精度分析和关节手术导航评估实验.结果表明:这种形变方法简单可靠,可以用于前交叉韧带(ACL,Anterior Cruciate Ligament)重建手术的导航评估.     

一种面向空间飞行器视觉导航的椭圆检测算法

基于椭圆特征的空间飞行器视觉导航技术是一种新颖的高精度空间探测自主导航方法,如何对空间目标的环形边缘进行精准提取和高效拟合是实现空间飞行器视觉导航的必要条件。针对该问题,提出一种面向空间飞行器视觉导航的椭圆检测算法。利用多项式逼近导航图像连续边缘段的方式提取椭圆弧段;通过基于极大似然假设检验理论构建的模型选择判据,对来自同一个椭圆的椭圆弧段进行准确合并;对合并后的椭圆弧段进行拟合,得到空间飞行器视觉导航的椭圆检测结果。大量的仿真实验表明：与传统的椭圆检测算法相比,所提算法具有较高的精度和更高的鲁棒性,可以广泛应用于空间飞行器视觉导航图像椭圆检测,为空间飞行器视觉导航算法提供精准的二次曲线输入。     

自研激光雷达三维点云配准技术

为了实现激光雷达点云与图像重建点云的三维空间配准,基于自研三维扫描激光雷达系统,提出了新型的快速多尺度因子（FMSR）点云配准算法,研究了空间点云配准技术。该算法主要包括初始配准和精确配准2个步骤:初始配准使用基于尺度自适应关键点质量（ASKQ）的点云特征提取算法,提取关键点的特征匹配对,求解点云配准初始参数;精确配准利用K-邻近（KNN）算法全局搜索,提升计算效率,多次迭代得到2组点云之间的最优旋转矩阵、最优平移向量和最优尺度因子。仿真和实验结果表明,所提出的算法对空间目标（尺寸为20.30 m×7.85 m×26.56 m）实现空间点云配准,配准精度达到0.194 m,运行时间为16.207 s;与多尺度迭代最近点（S-ICP）算法相比,配准精度提高了0.131 m,运行时间提高了30%。所提出的空间点云配准技术可为场景重建和纹理匹配提供算法基础。      

基于特征建模的空间非合作目标姿态智能测量方法

为实现空间非合作目标姿态的测量，基于特征建模的思想，提出了一种根据目标激光点云数据进行高效处理的智能测姿态方法.首先，针对空间目标姿态测量的需求，寻找并实现能够高效表征目标姿态的点云数据特征.接着，应用神经网络的方法对目标点云姿态特征进行学习，通过建立合理的神经网络模型和训练数据，实现目标点云特征与姿态间非线性映射关系的建立.最后，利用目标点云仿真数据集，对方法的测量精度和测量实时性进行了评估.实验结果表明：利用特征建模的思想，提出并建立目标点云姿态协方差矩阵特征，实现了点云数据在表征目标姿态方面的信息高度压缩，为神经网络模型的轻量化设计和计算资源严重受限的在轨应用，提供了可行的智能化工程实现方案.     

一种空间非合作目标的稀疏点云配准算法

点云数据配准是三维重构的关键技术之一,为了提高空间非合作目标的稀疏扫描点云数据配准的速度和精度,提出一种改进的基于四点算法的全局配准算法进行初始配准,再使用迭代最近点算法精确配准.针对直接扫描所得到点云数据量大的问题,本文提出一种基于KD Tree点云均匀采样简化算法,并且对传统基于四点算法中的阈值参数进行了统一,确定了各误差阈值参数和点云密度之间的关系.仿真结果表明,该方法能够快速、有效地实现卫星稀疏点云的配准,改进的四点算法配准耗时仅为几何哈希算法的42.49%.     

结合等值面绘制与体绘制的电磁环境可视化方法

为提高现有的电磁环境三维可视化效果,提出一种将等值面绘制融合到光线投射体绘制中的网格投影算法。将等值面网格化,利用空间网格表现等值面并融合进体绘制生成的电磁环境图像中。将平面均匀网格平行投影到电磁环境体数据中具有同一数据值的数据采样点上,由此生成网格化的等值面。投影到体数据中的网格沿投射光线的反方向确定其对应于光线投射生成图像上的像素点,并将网格颜色值融合到此像素点中,实现融合绘制电磁环境。在统一计算设备架构(CUDA)下并行实现本文算法后,不仅电磁环境的绘制效果比融合前有提升,而且更新绘制速度能够达到实时,支持用户实时交互控制。     

基于点云位姿平均的非合作目标三维重

针对在轨非合作目标，提出一种基于序列点云的三维重构方法，实现非合作目标交会过程中的目标三维结构恢复，并将恢复的结构用于后续点云姿态的跟踪.首先分析了非合作目标三维结构先验信息未知情况下目标相对姿态增量估计过程中的漂移问题；其次，提出一种基于位姿平均的漂移修正方法，并根据修正后的目标点云位姿对点云进行融合以实现目标的三维重构；最后，使用所提出的方法对半物理仿真试验中获取的目标点云序列进行处理，结果表明该方法能够有效地对非合作目标进行三维重构和位姿跟踪.     

基于序列图像的空间目标三维重建

空间目标三维重建对空间态势感知和理论研究具有重要意义。针对空间目标图像存在的由纹理重复导致的错误重建问题,提出了一种新的基于运动信息恢复三维场景结构策略。该策略将序列目标图像的成像时间顺序作为先验信息,顺序地加入新图像进行迭代,以避免因目标结构对称、纹理重复所导致的重建错误。同时针对空间目标成像数据匮乏的问题,进行了空间目标图像仿真,并开展了空间目标地面模拟成像实验研究。结果表明:运动分析结果精确,对噪声有较强的鲁棒性,恢复出的目标三维点云能在一定程度上表达目标的结构信息。同时给出了进行空间目标三维重建时图像序列应满足的边界条件。      

基于先验子图检测的失效航天器SLAM方法

基于激光雷达的航天器位姿估计技术是当前在轨服务研究热点。针对失效航天器位姿估计,将通用的图优化SLAM技术应用到空间非合作目标的研究中。为解决SLAM算法在动态场景中产生累积误差问题,利用失效航天器自身运动特点,提出一种基于先验子图检测改进的SLAM算法。在该算法中,通过激光雷达和惯性测量单元分别采集失效航天器及周围环境的点云数据、服务航天器的运动信息,构建出服务场景下航天器的相对位姿图;再采用先验子图检测方法建立不连续的位姿节点间的约束关系;最后用约束信息对位姿图进行优化。仿真结果表明,相较于通用的SLAM算法的位姿估计,该方法减小了累积误差,提高了相对位姿估计精度,可以为后期的导航、控制等在轨任务提供信息。     

Faster algorithm of debris cloud orbital character from spacecraft collision breakup

Space debris is polluting the space environment. Collision fragment is its important source. NASA standard breakup model, including size distributions, area-to-mass distributions, and delta velocity distributions, is a statistic experimental model used widely. The general algorithm based on the model is introduced. But this algorithm is difficult when debris quantity is more than hundreds or thousands. So a new faster algorithm for calculating debris cloud orbital lifetime and character from spacecraft collision breakup is presented first. For validating the faster algorithm, USA 193 satellite breakup event is simulated and compared with general algorithm. Contrast result indicates that calculation speed and efficiency of faster algorithm is very good. When debris size is in 0.01–0.05 m, the faster algorithm is almost a hundred times faster than general algorithm. And at the same time, its calculation precision is held well. The difference between corresponding orbital debris ratios from two algorithms is less than 1% generally.     

基于三元组网络的单图三维模型检索

随着媒体数据的多样化发展，联合图像与三维模型的跨域检索成为三维模型检索问题的一个新挑战。针对图像与三维模型差异大、难匹配问题，提出了一种基于三元组网络的跨域数据检索方法。以端到端的方式构建真实图像与三维模型的特征联合嵌入空间，通过特征间的距离度量不同模态数据之间的相似性，实现从单张图像检索相似的三维模型。为了提高跨域检索准确度，将三维模型用一组顺序视图表示，结合门控循环单元（GRU）聚合视图级特征，同时引入注意力机制提取图像特征，缩小真实图像与投影视图间的语义差异。实验结果表明:相比于同类方法，所提方法在两个跨域数据集上的检索平均准确率至少提升2.98%~3.05%。      

深空探测航天器巡航段自主导航方法研究

对深空探测航天器自主导航方法进行了研究。为了应对深空探测中航天器轨道动力学模型的误差，在分光计测量航天器相对于太阳径向速度基础上，引入了小行星的视线矢量测量。通过最小二乘法计算出由小行星视线矢量所得到的位置信息，采用改进的信息融合方法修正扩展卡尔曼滤波中不精确的动力学模型造成的状态估计误差。同时计算了模型的能观度，对模型的可观性进行了分析。最后对算法进行了仿真分析，仿真结果表明，该算法对动力学模型的依赖性明显低于其他算法，在相同模型精度下，可获得更好的滤波精度。     

IMU／GPS组合导航中坐标变换问题的研究

在导航定位时,不同的情况下需要的参数不同,而不同坐标系之间的坐标变换一直是导航算法的基石。讨论了地球坐标系内,大地坐标与直角坐标之间进行相互变换的算法和精度,及其对实现高效的组合导航算法的意义。给出了两种坐标变换算法及其推导过程,通过实例数据进行了仿真,并对结果进行了比较和讨论,分析了两种坐标变换方法的特点和应用的可行性。     

Guidepost-based autonomous orbit determination method for GEO satellite

Guidepost-based navigation system is a novel autonomous orbit determination method for the GEO satellite. The system is achieved by using the camera imaging function to obtain the guidepost images and the GNSS signal receiver to obtain the pseudoranges between the GEO and the navigation satellites. Due to the high altitude of GEO satellite and the time-varying sunlight condition in the space environment, it may be difficult to obtain object image points and the distance measurements of GNSS because of the weak visibility of the guideposts. To deal with the problem, a novel integrated orbit determination system is presented. The Earth landmarks, the in-orbit spacecraft and GNSS navigation satellites whose line-of-sights and the distance can be easily obtained are used at the same time as information for the GEO satellite navigation based on the observability conditions analysis. The observability of the GEO satellite navigation system is analyzed through the physical observability, the mathematical observability and the engineering observability through the observing geometry, the rank of observability matrix and the Cramer-Rao lower bound (CRLB) respectively. Besides, the maximum correntropy unscented Kalman filter (MCUKF) algorithm is applied to improve the estimation stability of the system in the presence of non-Gaussian noises. The simulation indicates the feasibility of the proposed scheme.