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。     

一种基于双目视觉的卫星相对位姿测量方法

卫星位姿测量技术是与航天飞行器相关的空间操控活动中一项核心的支撑技术.考虑到太空环境中光源单一,且卫星表面一般为反光材质,提出了一种基于双目视觉的卫星相对位姿测量方法.在卫星面板标志点可见时,本文方法利用卫星对接环外环和卫星面板标志点测量卫星相对位姿.在卫星距离对接目标较近,无法观测到卫星面板标志点时,本文方法利用ORB特征点匹配测量位姿.为了增强鲁棒性,本方法还利用光流追踪法和卡尔曼滤波器优化位姿测量的结果.仿真实验结果表明,本方法能够在光源单一背景下对任意种类的卫星在对接过程中进行准确的位姿测量.     

基于双目视觉的非合作目标逼近控制系统设计与仿真

主要研究空间非合作目标近距离逼近过程的控制系统设计与仿真问题.针对采用双目视觉敏感器实现对非合作目标的观测情况,提出一种考虑成像误差的目标位置矢量计算方法,有效保证目标位置解算的可行性.在主星视线坐标系下,分别考虑逼近过程的最大相对速度约束、控制推力和力矩约束,设计了基于非线性项解耦的递阶饱和PID形式的近距离逼近位置控制律和姿态控制律,并在逼近过程中设置停泊点以确保与目标无碰撞.最后对典型航天器非合作目标抓捕任务进行了数学仿真,仿真结果表明所提出的方法可在满足各种约束的情况下有效实现任意方向的空间非合作目标的抓捕任务.     

基于双目视觉的自动空中加油近距导航方法

为解决插头锥管式自动空中加油中的近距精确导航问题,提出了一种基于双目视觉的近距导航方法.该方法使用受油机上的两个摄像机拍摄加油锥管端面上光学标记的图像,采用轮廓跟踪法检测图像中的光斑区域,并将其灰度重心作为光学标记的像点,根据对极几何约束完成像点的匹配,利用空间圆形拟合法计算加油锥管的位置和姿态.建立了空中加油的三维虚拟场景对该导航方法进行仿真验证,仿真结果表明,该方法在近距离加油对接时具有很高的位置和姿态测量精度,可以满足自动空中加油的需要.      

基于靶标成像双目视觉坐标测量方法研究

提出了一种利用手握式靶标实现双目视觉三维坐标测量的新方法。利用空间透视变换建立了非线性测量模型,介绍了基于Newton非线性迭代的测量方程的求解方法。以矩阵分析理论为基础,讨论了影响测量方程求解的因素,并提出了方法中重要部件手握式靶标上特征点分布的基本约束条件,为这一方法在实际应用中获得较高的测量准确度提供了较为完善的理论分析依据。通过数值分析与计算,验证了理论分析的正确性。     

基于双目立体视觉的陶瓷砖外形尺寸自动检测技术

为了克服现有的陶瓷砖外形尺寸检测的缺点,构建了一种基于双目立体视觉的陶瓷砖外形尺寸自动检测技术。首先,介绍了自动检测技术的原理和流程图。然后,对其中的双目结构参数标定技术、边缘和线条中心定位技术和像点匹配技术进行了研究。最后,利用提出的方法对陶瓷砖进行了检测,结果表明该方法对边长的重复测量误差为±0.1 mm,中心弯曲度、边弯曲度和翘曲度的重复测量误差为±0.02%,满足陶瓷砖外形尺寸测量的要求。     

一种地标点修正的高精度双目视觉导航方法

自主导航技术是无人机、智能机器人以及智能车辆等技术领域中的一项关键技术。为了克服传统视觉导航方法存在的不足,以摄像机自运动估计为理论基础,提出了一种使用地标点修正的高精度双目视觉导航方法。该方法从连续图像序列的帧间变化中提取摄像机自运动信息,再通过速度、角速度积分求得载体的位置姿态等参数。同时,通过引入地标点提供的绝对定位信息,进一步提高了长时间导航的精度。将地标点绝对定位与双目视觉相对定位相结合,并对双目视觉量测噪声建模和解相关,抑制了单纯使用双目视觉长时间导航时误差的积累发散。仿真结果表明此方法具有精度高、自主性强、导航信息完备等优点。     

一种双目立体视觉相机标定方法

研究一种基于特殊标定场的双目立体视觉相机标定方法．对相机的内外参数进行精确地标定,然后利用标定参数进行图像校正．实验表明,采用该方法左右相机图像的极线误差不大于0．26pixel,能够达到较理想的标定结果．该方法可用于月球车双目立体视觉相机标定系统中．     

基于单目视觉原理的空间位置测量技术研究

为了提升空间位置测量的自动化程度,采用单目视觉原理建立空间成像方程,将三维的空间坐标转换为两维的图像坐标,由此实现单目视觉的空间位置测量。本文推导了单目视觉定位的基本成像方程,对建立的定位装置,进行了实际定位实验,实现了预期的测量结果。基于视觉原理的空间位置测量技术,具有良好的推广应用价值。     

基于单目视觉原理的空间位置测量技术研究

为了提升空间位置测量的自动化程度,采用单目视觉原理建立空间成像方程,将三维的空间坐标转换为两维的图像坐标,由此实现单目视觉的空间位置测量。本文推导了单目视觉定位的基本成像方程,对建立的定位装置,进行了实际定位实验,实现了预期的测量结果。基于视觉原理的空间位置测量技术,具有良好的推广应用价值。     

基于机器视觉的高精度顶桥施工位姿测量系统

分析了现有的顶桥施工中位姿测量系统的特点,指出其目前存在的主要问题.针对这 些问题和现场需求,基于计算机视觉反馈理论,设计了一种由CCD传感器、激光准直仪和倾 角传感器组成的新型高精度光电测量系统.在建立了相关数学模型的基础上,搭建了硬件系 统,给出了视频采集、图像处理和多串口通信等关键技术的具体实现方法,完成了各功能模 块的软件开发.该测量系统具有精度高、实时性好、操作简单、维护方便和成本低廉的优点 ,能够替代以往效率低下的人工测量方式,而且其实现方法为其他大型施工测量系统的设计 提供了新技术.      

一种光栅式双目立体视觉传感器光条匹配方法

光栅式双目立体视觉传感器的难点之一在于光条的准确匹配.基于编码方式的光条匹配方法往往需投射多幅图像,或限制最少可见光条数,更严重的是在被测对象深度变化较大时,常出现误匹配.为此,将光栅式双目立体视觉传感器看作两个已经过标定统一的光栅结构光视觉传感器,由这两个光栅结构光视觉传感器测得各光条中心点的三维坐标,并搜索光条中心点集之间距离最小且模型编号相同的光条即为匹配光条.实验表明该方法有效实现了光栅光条的准确匹配.     

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。     

基于感应同步器的高速高精度位置测量技术

现有的基于感应同步器的鉴幅、鉴相位置测量法,由于其原理缺陷,不适合高速高精度的测量场合.为解决高速高精度位置测量问题,给出一种新型的基于感应同步器的位置测量方法--幅度细分法.感应同步器输出的感应信号是调幅信号且幅度很低,为采用幅度细分技术,需对其输出的感应信号无失真的放大.在阐述系统工作原理的基础上,给出了系统的结构,并对关键功能电路进行了实验及仿真研究.结果表明,此法从原理上克服了感应信号中动态分量对测量结果的影响,克服了现有测量法不适合高速高精度测量的缺点,具有测量精度高、时间间隔固定、适合高速度运动场合下的位置测量等优点.     

基于单目视觉的非合作目标相对位姿测量

为实现对空间姿态翻滚航天器的在轨服务与维护以及对空间碎片的清理,需对其进行精确的相对位姿测量。针对相对位姿测量问题,提出了基于单目视觉与卡尔曼滤波的相对位姿测量方法。通过对特征点匹配算法进行调查,采用了具有尺度不变性与旋转不变性的尺度不变特征变换算法(SIFT)和加速稳健特征算法(SURF)的特征点提取方法,并对二者进行了对比,得到了二者分别适用的工况条件。通过对Kalman滤波算法进行研究,引入了相机偏置矩阵,设计了Kalman滤波器,解决了单目相机的距离模糊问题,估计得到了非合作目标的相对位姿、主惯量比以及特征点位置信息。经过仿真,姿态角度估计误差在稳定后低于0.3°,相对位置估计误差在稳定后低于0.5m,相较于真值,误差小于1.67%,主惯量比估计误差在稳定后低于0.01,特征点位置误差在稳定后低于0.005m。在引入相机偏置条件后,滤波状态变量均收敛,并得到具有足够精度的估计,成功解决了单目相机深度信息缺失问题。     

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。     

基于位姿测量不确定度的飞机对接质量评估

针对基于位姿的数字化测量辅助飞机大部件对接技术的发展与应用,对位姿测量不确定度以及基于不确定度的质量评价方法进行了研究.给出了数字化对接环境下大部件位姿的数学表达形式及意义.提出了基于协方差矩阵的位姿测量不确定度解析算法,并通过仿真算例与蒙特卡洛仿真法进行了对比,验证了该算法的有效性.给出了飞机大部件对接过程数字化测量工艺能力指数的概念,用于对测量结果的可信性进行评价;通过构建位姿测量不确定度与对接质量评估指标间的映射关系,提出了一种基于位姿测量不确定度的大部件对接质量评估方法,并以机翼-机身对接过程为案例,对方法的可行性、算法的有效性进行了验证.     

基于优化理论的GPS定位解算算法

针对传统定位解算方法存在的问题,基于优化理论的思想提出了一种新的定位解算方法——基于优化理论的最大后验估计算法.介绍了该方法的基本原理,详细给出了算法的推导过程,该方法用优化理论的思路求解系统状态量的最大后验概率估计值.它是从系统状态量、观测量的联合概率密度函数出发,将估计问题转化成优化问题,用优化问题的解法对系统的状态进行估计.在此基础上,用仿真实验验证了该方法进行定位解算的有效性.实验结果表明该方法完全解决了定位解算中的非线性问题,并拥有较高的定位精度.     

基于几何特征的非合作目标相对位置和姿态估计

针对几何参数未知的非合作目标,提出一种基于双目视觉的非合作目标相对位置和姿态估计算法.对目标图像进行滤波去噪、Canny边缘提取并将每条边缘段保存至链表,将边缘段分为直线段和圆弧段;并从直线段和圆弧段中检测出矩形特征和圆形特征;根据平行直线在同一像平面投影具有相同湮灭点的性质设计矩形特征相对位置和姿态估计算法;根据圆在像平面对偶投影几何,设计圆形特征的相对位置和姿态及半径的估计算法;对实际模型图像进行处理验证,结果表明该算法能够很好地识别帆板和对接环,并有效地估计出相对位置和姿态及对接环半径.