基于双目视觉的非合作目标自主姿态估计方法

针对在轨服务任务对于空间非合作目标的自主相对导航需求,提出了一种基于双目视觉的自主姿态估计方法。该方法以Markley变量描述目标的姿态运动,并利用双目相机对目标表面的特征点进行观测,利用特征点的运动规律与目标姿态运动的相关性,并通过容积卡尔曼滤波算法实现了对非合作目标角速度与自旋轴方向的估计。数学仿真验证了所给出的姿态估计方法,并分析了估计精度的影响因素。     

多航天器分布式事件触发分组姿态协同控制

在分布式事件触发机制的基础上对多航天器分组姿态协同控制问题进行了研究。系统内包含若干个分组,并且航天器间的信息交互被抽象为无向拓扑。以修正罗德里格斯参数（MRP）描述航天器的姿态,构造了包含姿态和角速度的辅助变量,并设计了分布式的控制输入。在分布式事件触发机制下,对每个航天器设计了触发函数,并结合代数图论和Lyapunov稳定性理论证明了多航天器能够渐近达到分组姿态协同,同时证明了系统内不会发生Zeno现象。仿真结果验证了在分布式事件触发机制下提出的控制输入的有效性。      

基于多源图像弱监督学习的3D人体姿态估计

3D人体姿态估计是计算机视觉领域一大研究热点,针对深度图像缺乏深度标签,以及因姿态单一造成的模型泛化能力不高的问题,创新性地提出了基于多源图像弱监督学习的3D人体姿态估计方法。首先,利用多源图像融合训练的方法,提高模型的泛化能力;然后,提出弱监督学习方法解决标签不足的问题;最后,为了提高姿态估计的效果,改进了残差模块的设计。实验结果表明:改善的网络结构在训练时间下降约28%的情况下,准确率提高0.2%,并且所提方法不管是在深度图像还是彩色图像上,均达到了较好的估计结果。      

基于数据驱动的非合作航天器姿态估计与预测方法

针对临近操作对非合作航天器的相对导航问题,考虑角速度测量缺失以及视觉特征丢失,提出了一种融合乘性扩展卡尔曼滤波和姿态预测的框架,实现了对非合作航天器的姿态估计和预测。采用惯性参数对状态向量进行了扩维,在缺少角速度测量的情况下预估了非合作航天器的姿态和相对转动惯量的比值。基于函数拟合和神经网络分别设计了两种姿态预测方法,解决了传统方法误差随时间累积的问题,有效减少了计算成本。最后,通过数值仿真验证了滤波估计和姿态预测算法的实时性和准确性。     

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.     

Novel finite-time attitude control of postcapture spacecraft with input faults and quantization

This paper investigates a novel finite-time attitude control method for the postcapture spacecraft with an unknown captured space target in the presence of input faults and quantization. First, a quasi fixed-time convergent performance function is developed to quantitatively characterize the attitude tracking performance. Then, a backstepping prescribed performance attitude controller is devised via using integral barrier Lyapunov function. Compared with the existing works, the fractional state feedback and discontinuous controller is directly avoided to achieve the fixed-time convergence rate. Namely, the proposed fixed-time controller is easily achieved online. Finally, two groups of illustrative examples are organized to validate the effectiveness and robustness of the proposed control method.     

基于窄带雷达RCS序列的空间目标尺寸估计

从窄带雷达横截面积(RCS)序列中提取目标尺寸特征对空间目标的分类识别具有重要价值. 本文在研究椭球体RCS序列特性的基础上, 提出了一种空间目标形状估计方法, 并进一步研究了空间目标尺寸估计问题, 提出了一种新的尺寸估计方法. 实测数据的验证表明, 该方法能有效估计卫星、碎片等空间目标的形状和二维尺寸.      

航天器交会最终逼近段相对姿态估计与控制

对航天器交会对接最终逼近段,给出姿态运动学方程统一形式以及相对姿态动力学方程;除了应用交会航天器的绝对姿态运动方程进行相对姿态估计(间接法)外,还直接应用相对姿态运动方程进行相对姿态估计(直接法);阐述相对姿态控制的相平面法与四元数反馈法的设计方法.相平面控制法应用常值推力,针对小姿态角机动的特点,将相对姿态通道解耦为3个独立的二阶子系统,设计相平面推力方向切换函数;四元数反馈法应用简化的基于本征轴旋转的线性二阶系统,选择相对四元数与角速率反馈增益系数,确定控制力矩.此外,对相对姿态估计与控制方法进行模拟计算与比较.理论分析与模拟计算结果表明:应用扩展Kalman滤波的相对姿态间接估计法与直接估计法是有效的,后者有可能简化估计算法;相平面控制法与四元数反馈法均可有效实现相对姿态控制,前者应用常值推力(推力方向与姿态反馈有关),较易实现,但动力消耗较大,后者按控制力矩随姿态反馈量而变,动力消耗较小.      

飞行器交会对接相对位置和姿态的估值方法

在飞行器的交会对接过程中 ,应用计算机视觉系统作为精确传感设备 ,测量飞行器相对于固定在空间站的坐标系的三维位置和方向 ,为导航和控制回路提供需要的反馈信息。文中研究了由计算机视觉系统采集的二维图像信息估计飞船相对于空间站的位置和姿态的方法 ;提出了光点检测光线拟合算法 ,并给出数字仿真结果。     

Adaptive sliding mode control of spacecraft attitude-orbit dynamics on SE(3)

In this paper, to solve the problem of parameters uncertainty in spacecraft tracking control, an adaptive controller based on sliding mode is proposed for the relative spacecraft attitude-orbit dynamics on the Lie group SE(3). The dynamic equations of relative attitude orbit error for two spacecraft are established in the framework of Lie group SE(3). Considering the uncertainty of spacecraft parameters, a formal decomposition of known and unknown parameters, the state variables and control variables is firstly made in the original system. An online estimator is designed to evaluate the unknown parameters. A sliding mode controller is developed to actuate the spacecraft to track the target spacecraft. Then a Lyapunov function of tracking error and parameters estimated error is designed to prove the stability of the closed-loop system. Finally, the simulation results and analysis are presented to verify the effectiveness and feasibility of the proposed method.     

Attitude stability and periodic attitudes of rigid spacecrafts on the stationary orbits around asteroid 216 Kleopatra

In this work, equilibrium attitude configurations, attitude stability and periodic attitude families are investigated for rigid spacecrafts moving on stationary orbits around asteroid 216 Kleopatra. The polyhedral approach is adopted to formulate the equations of rotational motion. In this dynamical model, six equilibrium attitude configurations with non-zero Euler angles are identified for a spacecraft moving on each stationary orbit. Then the linearized equations of attitude motion at equilibrium attitudes are derived. Based on the linear system, the necessary conditions of stability of equilibrium attitudes are provided, and stability domains on the spacecraft’s characteristic plane are obtained. It is found that the stability domains are distributed in the first and third quadrants of the characteristic plane and the stability domain in the third quadrant is separated into two regions by an unstable belt. Subsequently, we present the linear solution around a stable equilibrium attitude point, indicating that there are three types of elemental periodic attitudes. By means of numerical approaches, three fundamental families of periodic solutions are determined in the full attitude model.     

航天器交会计算机视觉系统测距求解新算法

对航天器交会对接最终逼近段应用的计算机视觉系统,提出目标航天器标志点测距求解新算法.该方法根据标志点构型几何特征,建立非线性测距方程组并构造加权目标函数,按最小二乘问题,采用Gauss-Newton数值迭代法求解测距最佳值.获得测距后,即可应用四元数估算法(QUEST)确定相对姿态与相对位置.对非共面标志点构型(如3点T型与5点锥型)和共面标志点构型(如正方形、矩形、菱形),目标函数均含标志点间距比率关系项;对共面构型,目标函数还包含共面条件项.对共面标志点四边形构型,利用对角线交点的虚影像坐标确定测距求解迭代初值.大量模拟计算结果表明,提出的测距求解算法对共面与非共面各种标志点构型普遍适用,满足最终逼近段相对状态确定要求.      

一种非合作目标模型快速测量方法

服务航天器跟踪、接近和捕获目标时,需要快速获取目标卫星局部模块的精密3D轮廓。文章研究了一种基于结构光的单目测量系统,能够同时满足三维测量速度快、精度高等需求。提出了一种黑白DeBruijn序列编码方法,使用单张相机图片就可以完成重建,采用黑白条纹,增强了对空间反射的抗干扰能力。相比较于双目测量方法,该方法认为投影装置模型和相机模型一致,省去了图像匹配步骤,有效减少了计算时间;采用迭代的方法对点云进行重建,不需要预先进行畸变校正。以卫星模型为目标,使用高速相机进行了重建试验,试验结果表明采用这种方法进行重建时,采集图像时间短,深度信息误差为0.0583mm,速度和精度都能满足非合作目标的三维测量要求。     

一种基于计算机视觉的飞行器姿态估计算法

改进了一种基于图像统计信息的飞行器姿态估计算法.改进后的算法可以迅速地估计出飞行器的横滚角与俯仰角,减少了运算量,提高了姿态估计的实时性和鲁棒性,精度满足飞行器的姿态控制要求.将不同的算法进行了仿真比较,提出了一种应用方案,解决了姿态估计过程中横滚角与俯仰角耦合的问题.改进后的算法适用于装备以视觉系统作为导航系统的飞行器,尤其是只能装备小型视觉系统的微小型飞行器(MAV, Micro Air Vehicles).将应用该算法的视觉导航系统与微惯性测量单元(MIMU, Miniature Inertial Measurement Unit)组合使用,可以增大飞行器姿态角估计的范围,进一步提高估计精度.