空间机械臂可见光测量相机参数标定技术研究

空间机械臂可见光测量相机参数标定是制约空间合作目标三维位姿测量精度的关键技术和重要前提,它直观表征了视觉标记三维坐标与对应的二维图像坐标之间正确的映射函数。针对现有相机内外参标定方法操作步骤繁琐、积累误差大、标定精度低等工程问题,文章提出一种空间机械臂可见光测量相机内外参标定方法,引入高精度二维棋盘格标定靶与基准镜共同作为转换中介,且在相机有效观测视场内随意移动标定靶,分布式解算相机内参和外参。试验表明,相机内参离散度均不超过±0.3像元,角点重投影误差均不超过±0.5像元;外参六自由度分量标准差均不超过(0.6mm,0.05°)。上述标定方法具有较强的可操作性,极大简化了坐标转换计算复杂性,有效降低了标定过程中产生的积累误差,为机械臂实施视觉闭环自主捕获合作目标提供了可靠依据。     

双镜头航空相机投影转换误差分析

双镜头双探测器拼接式航空摄影相机获取的是双中心投影影像,需要将其转换成等效单中心投影虚拟影像并控制其转换精度。文章对双镜头相机建立由双中心投影向等效单中心投影转换的数学模型,依据模型得出投影转换误差的影响因素,并采用蒙特卡罗方法与最大误差方法对投影转换误差进行MATLAB仿真,利用仿真结果分析总体误差分布与各误差源的影响效果,为误差源的范围限制提供参考。结果表明:对于参数特定的双镜头航空相机,当主点误差限为0.5像元,主距误差限为1像元,相对角元素误差限为10″,相对线元素误差限为1mm,相对航高误差限为150m时,投影转换误差可控制在2像元内,且相对角元素误差为主要误差源。     

空间机械臂视觉相机内参标定技术研究

针对空间机械臂视觉相机的任务需求与配置,内参标定技术是相机高精度获取合作目标位置、方向等运动信息的首要前提和重要保障。文章设计了一种基于二维平面靶的机械臂相机内参标定方法,用于解算焦距、主点坐标、畸变系数等。首先,利用相机拍摄多幅平面靶图像,求解平面靶与相机图像之间的映射矩阵;其次,构建相机内参约束方程;再次,利用特征值分解,解算焦距、主点坐标等参数值;最后,引入径向、切向畸变构建非线性模型,将解得的内参作为初值,利用Levenberg-Marquardt优化算法即可计算出相机内参最优解。试验结果表明,该方法完全适用于机械臂相机内参标定,标定结果均满足机械臂视觉相机获取合作目标三维位姿的测量精度要求。     

一种星敏感器标定误差修正方法研究

针对星敏感器地面实验室待定系数法标定的缺陷,提出了一种星敏感器标定误差修正方法以提高标定精度并根据实际标定数据进行了计算验证。基于星敏感器标定系统建立了标定理想模型。在用物理方法求得主点坐标的基础上,将焦距测量值代入星敏感器标定误差模型,只需考虑镜头畸变和像面旋转对星敏感器标定结果的影响。提出了标定误差的分步校正方法:先用径向畸变的一阶模型校正镜头畸变;再以标定理论值的中心水平线为基准,与实测值的拟合直线比较,求出实测直线与理论直线的夹角,依据点的旋转公式修正像面旋转引起的误差。某星敏感器实际标定数据表明:与待定系数法相比,该法不仅减小了标定误差大小而且改善了标定误差的均匀性。     

传输型线阵测绘相机几何精度标定方法

分析了传统框幅式测绘相机几何精度评价和测试方法的局限性：不适用于以长焦距、小视场角为主的传输型线阵测绘相机。从传输型测绘相机原理出发。分析了以视主点作为传输型测绘相机主点评价指标的合理性和可行性。指出了同传统方法相比在几何精度标定过程中需要注意的问题并提出标定方法。     

基于LM算法的相对测量相机非线性标定技术

针对相机标定中两步法的非线性优化问题,提出了基于Levenberg-Marquardt(LM)算法的相机非线性标定方法。用直接线性变换法求得相机线性模型内外参数作为初值,用LM算法计算非线性模型内外参数的精确解。实验结果表明该法能提高标定精度,且迭代速度较快。     

飞行器自主交会对接逼近阶段单台CCD测量方法研究

提出了一种利用单台CCD相机来实现自主交会对接最后逼近阶段的测量与控制任务。通过对安装在目标飞行器上的四个共面编码标志的测量，来实时计算追踪飞行器上CCD相机的外参数。利用求得的相机外参数和已知的坐标系间的转换参数，可以求得追踪飞行器坐标系与目标飞行器坐标系间的转换参数，从而得到两者间的相对位置和姿态系数。本文还通过了一组试验验证了该该法的可行性。     

一种行星车视觉导航系统的立体校正算法

针对行星车软着陆过程中,视觉导航系统参数变化后星面再标定难度大的问题,在传统立体校正算法基础上提出了一种适用于行星车视觉导航的弱标定立体校正算法。算法利用地面标定结果和对应匹配点进行优化计算,约束校正矩阵形式,保证了校正结果为以光心为投影点的单应变换,并进一步简化参数,降低计算复杂度。在理论上证明了算法的正确性,实验验证了算法的有效性。实验结果表明,算法校正结果与已知相机内、外参数的欧几里德校正方法性能相当,校正误差和校正畸变均较小,满足行星车视觉导航系统要求。     

传输型测绘相机内方位元素误差对高程精度的影响分析

文章通过对摄影测量学中基于空间前方交会的点投影系数法进行分析,建立了摄影测量的高程误差方程,重点分析了传输型测绘相机内方位元素误差对高程精度的影响。以1∶50 000比例尺地图产品为例,分析了某测绘相机的相机主距、主点位置、畸变等内方位元素对高程精度的影响程度,提出在测绘相机研制过程中在保证高程精度方面应注意的问题。     

空间飞行器交会对接相对位置和姿态的在轨自检校光学成像测量算法

空间飞行器交会对接的最后逼近阶段，通常采用光学成像敏感器来测量跟踪飞行器和目标飞行器之间的相对位置和姿态。考虑到飞行器在轨运行期间，CCD相机受空间环境的影响，其内参数会发生变化的实际情况，提出了一种单CCD在轨自检校光学测量方案，其主要特点是飞行器在执行测量任务时，可同时进行相机内参数的自检校。首先根据严格的中心投影共线条件方程，推导出目标飞行器光学特征点坐标和对应的像点坐标与内参数及相对位置和姿态的严格解析关系；然后建立了内参数及相对位置和姿态的解析表达式；提出了目标航天器上光学特征点的布设要求。通过严格的理论分析和数值仿真，单CCD在轨自检校光学测量方案具有可靠性高、精度高、算法易实现、适应能力强等优点。     

非合作大目标位姿测量的线结构光视觉方法

空间机器人与非合作大目标交会接近最终段,单目相机不能获取完整的特征图像而无法完成相对位姿测量。针对此问题,提出基于线结构光和单目视觉的相对位姿测量方法。以非合作大目标上的局部矩形特征为测量对象,首先,建立相对位姿测量模型并给出四个测量坐标系之间的关系;其次,通过相机对不完整矩形和线结构光的约束获得四个特征点在相机坐标系下的坐标;然后,利用四个特征点计算相机坐标系与目标坐标系之间的转移矩阵;最后,将转移矩阵分解得到矩形特征的相对位姿。通过改变影响测量精度的输入误差和标定误差等因素对该方法进行仿真验证,结果表明该测量方法是有效的。     

一种从混合表面的明暗变化恢复形状的新算法

针对传统的混合表面形状恢复算法存在较大误差的问题,提出了一种基于透视投影的从混合表面的明暗变化恢复形状的新算法.首先,建立了一种改进的Ward反射模型来描述混合表面的反射特性,其次,采用更接近摄像机实际拍摄的透视投影方式,并且假定光源位于摄像机的光心处,构造了新模型下的图像辐照度方程,然后将该方程转化为包含物体表面深度信息的Hamilton-Jacobi偏微分方程,使用Fixed-point Iterative Sweeping方法和2D Central Hamiltonian函数逼近该微分方程的黏性解,进而得到物体表面的三维形状.与同类算法相比,新算法恢复的结果更加准确有效.合成花瓶图像的实验结果表明,与基于正交投影的算法相比,新算法恢复三维形状高度的平均误差和均方根误差均有较大幅度减少.     

多光谱相机高稳定性光机结构设计技术

文章针对测绘应用对多光谱相机设计的技术要求,从影响相机内方位元素和在轨成像品质因素出发,结合三反离轴相机的特点,重点分析多光谱相机高稳定性设计（力学和热）。多光谱相机主体反射镜通过选取零膨胀的微晶玻璃和殷钢材料,降低了反射镜的热敏感性,反射镜组件通过采用四点球铰无应力支撑技术实现了反射镜的静定支撑、消除掉了反射镜装配应力,保证了反射镜面型的稳定性。相机主体结构与卫星的连接采用柔性卸载结构设计,卸载了卫星结构由于热变形而导致的相机结构变化,保证了相机主体结构的在轨性能稳定性。通过对整个相机进行有限元分析和环境试验,有效地验证了设计的正确性,多光谱相机主体具有较好的结构稳定性。     

某航空相机载荷舱热分析与热设计

航空相机的热控设计需要解决流动与传热的耦合问题。文章提出某航空相机载荷舱在复杂飞行环境中上升、巡航、下降全过程的热分析及热设计方法：确定载荷舱热分析数据流,采用专业热分析软件、流体计算软件计算辐射外热流、气动外热流,以及等效对流换热系数沿壁面分布情况及与马赫数的变化关系。将热环境赋予载荷舱热分析模型,通过热分析软件与自开发程序迭代对载荷舱两个极端工况进行了仿真分析。结果表明,据此设计的光学窗口内表面温度高于露点温度10℃以上,得到的载荷舱热分析结果满足热控指标要求,热设计方案合理可行。     

图像型火灾探测技术中的火灾定位研究

针对图像型火灾探测技术中的定位问题,提出一种在摄像机内外参数未知的条件下解决火灾二维定位的方法。即首先根据定标板角点的世界坐标和图像坐标计算透视投影矩阵,并在采用图像处理技术获取火灾图像的中心坐标的基础之上,通过求解线性系统获取火灾的实际位置。     

一种用于静态红外地球敏感器的高效算法

为提高微纳卫星的姿态检测效果,针对静态红外地球敏感器的全景鱼眼成像特点,以单张红外成像为研究对象建立成像模型,提出了间隔向量积与t Location-Scale分布置信区间均值结合的算法。将红外成像投影到空间球体上形成空间像点环;在像点环上间隔取点做向量积,得到当前目标姿态角的样本集合;通过t Location-Scale分布进行极大似然估计,得到目标姿态角样本均值和方差的估计量;再次计算1σ置信区间内样本均值,最终得到目标姿态角的估计值。相比于原算法,目标姿态角在±10°内的标准差由0.06°下降为0.03°,精度提高了50%。另外为避免迭代收敛的耗时问题,给出了应用于实际工程的查表法,使运算速度提高了87%,提升了静态红外地球敏感器的测量精度和效率。     

卫星振动对成像质量影响的仿真分析

分析了在空间环境条件下摄影时，不同振动模型对卫星上推扫型CCD相机成像质量的影响结果。重点分析了三个方向的振动对相机成像质量的影响。对为了验证仿真分析的结果，建立了一套地面仿真系统。它能模拟产生各种频率和不同量级振幅，具有采集和处理相机图象数据的能力。系统用图像调制传递函数MTF作为系统评价指标。经过分析、计算和试验，证明所推出的公式和建立的物理仿真系统可以用于航天光学遥感器的成像质量预估和评价，并可用于对其它遥感器的分析。     

一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承

提出一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承结构,球面磁轴承定、转子均采用球面结构。当磁通作用在转子的球形包络面时,产生的电磁力会指向转子球心,不会对转子产生干扰力矩,但少量的漏磁磁通会作用在转子的非球形平面上,导致低干扰力矩的出现。利用等效磁路法对球形转子偏转时轴向部分漏磁导致的干扰力矩进行分析,得出干扰力矩的数学表达式。运用有限元法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明干扰力矩随着转子偏转角度的增加而增大,当转子偏转角达到最大允许值0.3°时,球面磁轴承与柱面磁轴承相比干扰力矩减小两个数量级。球面磁轴承的低干扰力矩特性决定其特别适用于磁悬浮控制力矩陀螺,可提高陀螺的控制精度,在磁悬浮高能密度电机、其他飞轮系统等场合具有广阔的应用前景。     

Operation and performance of a second generation, solid state, star tracker, the ASC

The Advanced Stellar Compass (ASC) is a second generation star tracker, consisting of a CCD camera and its associated microcomputer. The ASC operates by matching the star images acquired by the camera with its internal star catalogs. An initial attitude acquisition (solving the lost in space problem) is performed, and successively, the attitude of the camera is calculated in celestial coordinates by averaging the position of a large number of star observations for each image. Key parameters of the ASC for the Ørsted satellite and Astrid II satellite versions are: mass as low as 900 g, power consumption as low as 5.5W, relative attitude angle errors less than 1.4 arcseconds in declination, and 13 arcseconds in roll, RMS, as measured at the Mauna Kea, HI observatories of the University of Hawaii in June 1996.