Using consecutive point clouds for pose and motion estimation of tumbling non-cooperative target

This paper proposes a consecutive point clouds-based estimation scheme to resolve the state estimation problem for tumbling non-cooperative space target during the rendezvous phase without a prior knowledge about its structure. First, a consistent pose estimation algorithm is realized by maintaining a global structure of the target that is reconstructed upon the pose graph optimization. Then an extend Kalman filter on Lie group is adopted to estimate the motion and inertia parameters of the target using the pose measurements of the point clouds. Finally, a semi-physical experimental study is carried out to evaluate the performance of the proposed estimation scheme. The result shows that the structure, motion and the inertia parameters can be estimated, and the total computation time is approximately linear with the number of point clouds.     

基于球几何特征的摄像机内参分步标定方法

在摄像机标定过程中,球形靶标对图像数量、拍摄角度要求小,能够适应遮挡环境,在使用中具有明显优势.在分析球投影模型几何性质的基础上,提出一种利用球靶标分步标定摄像机内部参数的方法.该方法通过拍摄一幅包含空间中2个不同位置球体的图像,得到图像中的2条投影二次曲线;利用2条投影二次曲线的对称轴和公切线计算球心投影点,通过投影二次曲线的对称轴确定图像主点坐标,根据球心投影点和图像主点的位置关系求解归一化焦距;利用整体优化算法得到内参标定结果.仿真数据实验分析了引入测量误差的主要因素,实物标定结果与平面方格靶标方法相比误差在5%之内,重复测量结果稳定.      

基于平面靶标的多视点云对齐方法

在大型物体三维视觉测量中,多视点云的对齐是其关键技术之一.设计了一种带有多个间距已知的角点作为特征点的平面靶标.靶标置于视觉传感器在2个不同位置测量的公共区域,2次测得特征点三维坐标.用靶标上任意3个非共线特征点的三维坐标建立单位正交基,从而求得多视点云坐标系初始变换矩阵.以初始对齐后的对应特征点之间距离平方和建立目标函数,并引入距离控制来增加约束条件,以3点求得的坐标变换矩阵为初值,采用Levenberg-Marquardt优化方法解出最优的坐标变换矩阵.采用双目视觉传感器对一石膏像在2个位置进行了测量,实验结果表明该对齐方法简单可靠,优化后的对齐精度比优化前提高了约31%.      

Motion prediction of an uncontrolled space target

Capturing an uncontrolled space target is a tremendously challenging research topic. Target capture by a space robot can be well planned according to predicted motion of the target. In this paper, motion prediction of an uncontrolled space target is studied and a motion prediction algorithm is proposed. In the proposed algorithm, firstly a method for identifying the parameters of motion state and inertial property of the target is established; and then through substituting the identified parameters into the dynamic equations of the target, the motion of the target can be predicted as the solution of the equations. In the identification of the parameters, the unscented Kalman filter (UKF) is applied. In order to support the UKF, a method for estimating noise level of the observation data is developed, so our motion prediction algorithm is noise adaptive. A practical convergent criterion is also designed to determine the time when the estimated result of the UKF is accurate enough, such that the predicted motion is credible enough. After that, the accuracy of the prediction is further improved by an optimization method. In the end of this paper, numerical simulations are done to verify the validity of the proposed motion prediction algorithm. Simulation results indicate that the proposed algorithm is able to predict the motion of the target precisely.     

一种惯导系统快速对准模型和方法

从控制论的观点探讨了实现惯性导航系统(INS)快速对准及标定的途径及方法.通过引入李雅普诺夫变换,论证了SINS(Strapdown Inertial Navigation System)模型与GINS(Gimbaled Inertial Navigation System)模型的等价关系;通过基于物理本质的相似变换,提出了用伪状态来代替真实状态,从而使INS的可观测状态和不可观测状态之间动态解耦,得到了INS的最佳完全可观测子系统模型;通过对INS可观测子系统模型的简化,提出了一种快速估计方位失准角和标定陀螺仪漂移误差的方法,该算法表明方位失准角和陀螺仪的漂移误差完全可从水平失准角速率中快速估计出来,而不必使用陀螺的输出信号.      

基于视惯融合的大型空间碎片质心位置辨识

大型自由翻滚碎片的质心是在轨操作基坐标系下的不动点，也是碎片连体基下动力学参数向卫星坐标系转换的基准，对其精确识别是提高碎片动力学参数辨识精度的关键。提出基于惯性单元测量数据与双目视觉定位数据融合的大型空间碎片质心位置识别方法。基于无力矩欧拉方程，获取附着到空间碎片表面的惯性单元间转换关系，利用该转换关系对惯性单元冗余测量数据优化，再优化求解惯性单元到质心点距离；利用双目视觉获取惯性单元上标记点动态坐标，再利用惯性单元到质心点距离，基于三点定位原理识别大型空间碎片的质心位置。以加入高斯白噪声的惯性单元与双目视觉测量数据进行仿真，结果表明优化解算后惯性单元实时测量数据的误差降低到1%以下，解算的质心位置三轴误差小于0.47mm；开展了地面试验，结果表明，解算的质心位置三轴误差小于0.49mm。仿真和试验证明，该方法能够为大型空间碎片的消旋、捕获任务提供准确的数据基准。     

一种空间视觉测量子系统用半导体 激光器驱动电路设计

针对面阵静态红外地球敏感器的现场标定,提出基于规则小孔平面靶标的现场标定方法.将小孔平面靶标固定放置于面源黑体前方,在光学视场测量空间内,多次调整红外地球敏感器的摆放位置,以采集多幅不同位置、不同角度的红外靶标光点图像.使用等高层最小二乘椭圆拟合方法精确提取靶标红外光点的中心坐标,获得特征点信息.利用红外靶标图像和图像特征点计算面阵静态红外地球敏感器光学系统的焦距和主点坐标.试验结果表明,该标定方法简单灵活有效,便于调试现场操作.目前,该方法已在面阵静态红外地球敏感器研究中得到应用.     

基于云模型的目标威胁等级评估

目标威胁等级评估的实时性、正确性对于后续作战仿真具有重要意义.提出了基于云模型的威胁等级评估的方法,通过对依据专家经验得到的对定性概念评估的隶属云图的贝叶斯修正,得到了标尺云.由战场态势信息对标尺云的匹配和处理,最终得到了目标威胁评估云图,实现了威胁评估.定性概念对战场态势的描述以及隶属云图体现了模糊性与随机性的较好结合,反映了空战时飞行员获取信息的不确定性的特点.通过实例验证表明:基于云模型的威胁等级评估的方法能有效地实现对目标威胁等级的确定.     

An optimization iterative algorithm based on nonnegative constraint with application to Allan variance analysis technique

It is well known that inertial integrated navigation systems can provide accurate navigation information. In these systems, inertial sensor random error often becomes the limiting factor to get a better performance. So it is imperative to have accurate characterization of the random error. Allan variance analysis technique has a good performance in analyzing inertial sensor random error, and it is always used to characterize various types of the random error terms. This paper proposes a new method named optimization iterative algorithm based on nonnegative constraint applied to Allan variance analysis technique to estimate parameters of the random error terms. The parameter estimates by this method are nonnegative and optimal, and the estimation process does not have matrix nearly singular issues. Testing with simulation data and the experimental data of a fiber optical gyro, the parameters estimated by the presented method are compared against other excellent methods with good agreement; moreover, the objective function has the minimum value.     

Statistical approaches to cloud classification

For the determination of clouds from satellite data there exist in general more unknown parameters than independent observations. If the bispectral observations are used from the geostationary satellites in the solar (VIS-channel) and in the infrared (IR-channel) range to derive cloud parameters, information is needed whether a pixel radiance is from a cloud free or a cloudy scene. Statistical methods are applied to derive those informations. Various proposed statistical methods are discussed.The histogram analysis developed at the University of Cologne is described in detail: bispectral (two-dimensional) histograms are partitioned into clusters. Cloud cover results are shown. A comparison is given between the results of the histogram analysis, threshold methods (VIS- and IR threshold separately and both combined) and the spatial coherence method developed by Coakly and Bretherton. The cloud cover varies in this example by a factor of two depending on the definition of the threshold between cloud free and cloudy pixels. It is further shown that after a cluster analysis of a two-dimensional histogram the derived cloud cover is not as sensitive to the threshold as for a threshold method. The methods which are discussed here are those proposed for the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP). The results are from the pilot study of the ISCCP.     

充液航天器质量特性计算方法研究

充液航天器的质量特性对飞行动力学建模和控制设计有着重要影响。质量特性测量装置通常只能测出干重状态下航天器的质量特性，而充液状态下的航天器质量特性只能靠计算给出，其中如何计及各贮箱内液体的惯性张量是此类工程计算的难点。首先采用势流理论推导了任意形状贮箱内液体质量特性的一般表达式，包括全充液情况和部分充液情况，其中对部分充液情况考虑了自由液面小幅晃动的影响；然后采用三维有限元方法建立了液体质量特性的数值计算方法，并通过一个验证算例确认了该计算方法的有效性；最后应用该方法计算了一个充液航天器的质量特性，并研究了不同的液体处理方法对计算结果的影响。研究表明，工程上通常采用的“固化液体”处理方法所计算出来的转动惯量明显偏大，而所提出的计算方法具有更好的理论正确性和工程适用性。     

基于经验模态分解的点云数据平滑与增强

在计算机辅助设计与逆向工程应用中,针对缺乏拓扑连接关系的点云数据,提出了基于经验模态分解(EMD)的点云数据平滑与增强算法。首先,以点云模型的拉普拉斯矩阵坐标与法向的内积作为EMD输入信号,提取点云模型输入信号的极值点作为插值节点计算信号的上下包络;然后,为实现特征保持的EMD信号分解,通过检测点云数据上特征点,并在计算信号上下包络的过程中作为约束,克服传统EMD算法无法保持特征的局限;最后,迭代地从输入信号中减去上下包络的均值得到内蕴模态函数(IMF)和余量,并通过设计滤波器实现了点云数据平滑和增强。实验结果表明,本文算法有效地将EMD推广到三维散乱点云数据中,扩大EMD在三维几何中的应用范围,并在点云数据平滑和增强方面取得了很好的效果。     

利用点目标回波抑制距离旁瓣的方法

针对雷达脉冲压缩过程中引入的距离旁瓣问题,提出一种基于反卷积算法并利用点目标回波进行旁瓣抑制的方法.从雷达回波中提取准点目标回波,进而提取目标信息,实现对距离旁瓣的抑制.利用点目标回波旁瓣抑制方法对海南VHF非相干散射相控阵雷达的电离层回波数据进行处理.结果表明:强目标的旁瓣干扰抑制优于5dB,这证明了该抑制方法的有效性;旁瓣抑制效果与回波的信噪比有关,降低背景噪声和系统噪声的影响可提高其距离旁瓣抑制效果.      

复杂背景下红外点目标探测概率估算

红外成像系统对点目标的探测概率在实际应用中往往受到复杂背景的极大影响,而现有的计算方法并不能适用于复杂背景下的探测概率估算.首先从红外成像系统对点目标的作用距离模型出发,分析了探测概率与信噪比、作用距离的关系,推导出单一背景下红外点目标的探测概率估算方法;然后,利用红外成像系统的亮度-灰度函数,通过背景的红外图像灰度信息计算得到其红外辐射亮度;最后,引入概率统计的思想对单一背景下探测概率的估算方法进行了改进,提出了复杂背景下红外点目标探测概率的估算方法.实验结果表明:该估算方法可以有效评估实际应用中典型复杂背景对红外成像系统的点目标探测概率的影响.      

双臂空间机器人关节运动的一种增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人系统的控制问题.结合系统动量守恒关系进行的运动学、动力学分析表明,可以得到一组与适当选择的惯性参数呈线性函数关系的、欠驱动形式的系统动力学方程.以此为基础,并采用增广变量的思想,克服了通常情况下,空间机器人系统动力学方程关于系统惯性参数呈非线性关系的难点,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数不确定,但误差范围可确定的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人关节运动的变结构鲁棒控制方案.该控制方案的优点在于,不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度;与自适应控制方案相比,化积分运算为简单四则运算,计算量大为减少,有利于实时应用.通过对一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,证实了算法的有效性.      

目标外形拟合及雷达散射截面计算

用修正的双三次参数样条拟合目标外形,可直接使用飞机外形CAD设计数据库,拟合绕射点坐标、主曲率半径、主方向、短程线及其它一些几何参数,并用一致几何绕射理论计算目标的雷达散射截面。计算精度可达1dBsm以下,理论计算与实验结果吻合很好。     

挠性卫星自适应姿态跟踪控制

具有较强变轨或姿态机动能力的卫星,在轨运行过程中其质量特性随着液体燃料的消耗而不断变化,卫星的惯量特性也随之变化,使卫星质量参数呈现不确知的特性。如何在惯量矩阵未知情况下实现挠性卫星的姿态跟踪控制是研究的重点。考虑目标姿态角速度可以时变的一般情形,设计了基于误差四元数的自适应姿态跟踪控制律,给出了稳定性证明。数学仿真结果表明该控制律能够在卫星转动惯量未知情况下,保证卫星本体姿态和跟踪目标姿态。     

基于高时相探测的运动点目标检测方法

针对可见光探测中低信噪比运动点目标检测问题,提出一种基于高时相探测的运动点目标检测方法,构建了基于双谱分析的目标检测器来提取像元时域特征,对背景像元与目标像元进行区分.仿真分析与实验结果均表明,所提出的方法能够对低信噪比运动点目标进行有效检测,在一定帧频范围内,目标检测能力与采样帧频正相关.相比常用的运动点目标检测方法,本文方法具有更高的检测效能.      

基于自适应遗传算法的MEMS加速度计 快速标定方法

微惯性测量单元（MIMU）的标定技术是低精度惯性导航领域中的重要研究方向,传统标定方法操作复杂,标定精度严重依赖转台精度。为解决大批量MIMU快速标定的问题,提出了一种基于自适应遗传算法（GA）的微机电系统（MEMS）加速度计快速标定方法,将加速度计标定问题转化为参数优化问题。首先,利用模观测原理构造目标优化函数;然后,分析系统可观测度确定最优标定编排方案;最后,采用全局搜索的自适应遗传算法优化标定参数。实验结果表明:与牛顿迭代法相比,标定精度提升1~3个数量级,运算速度提高61%。标定后解算的水平姿态角误差小于0.1°,可实现与传统标定方法相同量级的姿态精度,验证了所提方法的优越性和实用性。