基于中心差分卡尔曼滤波的航天器视觉相对导航算法研究

在航天器视觉相对导航过程中,量测方程的非线性特性会影响航天器相对位姿的估计精度.分析了扩展卡尔曼滤波方法(EKF)将非线性模型线性化时存在的缺点,研究了中心差分卡尔曼滤波方法(CDKF),提出用中心差分卡尔曼滤波方法来解决视觉导航中两航天器的相对位姿估计问题,并给出了EKF与CDKF的仿真结果.仿真结果表明在相同条件下,CD-KF算法比EKF具有更高的精度和稳定性,该方法能够在航天器视觉相对导航中应用.     

基于共面光标提取的空间目标单目测量技术

针对空间目标捕获任务技术需求,设计了一种基于平面靶标特征点提取的单目视觉线性相对位姿解算方法. 提出基于几何指数阈值判别的特征光标提取方法,并采用非线性项变量代换方法,设计了基于特征光标提取的线性相对位姿解算方法,建立了单目视觉相对测量地面实验系统,在模拟目标航天器相对位置和姿态低速动态漂移的条件下进行了试验. 测量结果表明,所提出的特征光标提取算法能够有效避免高亮光斑对特征光标提取的不利影响,且相对位姿解算算法具有较好的精度和实时性,相对于传统非线性迭代求解方法,该方法计算量小,求解过程稳定.      

基于双目光学图像信息的空间非合作目标自主相对导航方法

针对无任何先验信息的空间非合作目标相对导航问题,提出了一种仅基于双目视觉图像测量的自主相对导航方法.首先,建立了非合作目标双目图像测量辨识模型及特征位置矢量解算方法.利用观测卫星相机系下的目标相对位置矢量观测序列,结合卫星姿态、相机安装方位等信息,给出了非合作目标初始相对运动状态估计及导航滤波参数初始化方法.之后采用考虑状态噪声补偿以及观测方差矩阵和状态噪声矩阵自适应修正的扩展卡尔曼滤波算法,完成空间非合作目标自主相对导航解算.最后以低轨非合作目标逼近段为例进行相对导航仿真,验证了该方法的有效性.     

基于相对视线矢量测量的多航天器编队相对姿态求解方法

航天器相对姿态求解是编队控制和保持的前提条件,针对远距离编队相对姿态求解问题,提出了一种基于相对视线矢量测量的多航天器编队相对姿态确定方案.考虑编队由3个航天器组成,每个航天器装备视觉传感器,可以测量到相对其余两个航天器的相对视线矢量,基于视觉传感器测量模型,推导了确定性姿态求解方法,并进行了数学仿真研究.仿真结果表明,多航天器编队相对姿态求解方法可以有效估计出航天器间的相对姿态,估计精度较高,能够满足航天器编队控制需求,解决了远距离编队情况下视觉传感器应用的局限性.      

基于超分辨率重构的航天器位置姿态测量方法

航天器间相对位置和姿态的确定是实现航天器编队飞行的重要基础.为了解决航天器相对位置姿态的远距离测量精度问题,该文提出了基于超分辨率重构技术的测量方法.介绍了由单帧图像求解相对位置姿态的测量原理,研究了图像传感器退化成像模型和基于该模型下的图像配准算法,给出了超分辨率图像重构算法及其算法流程.利用地面试验原型系统的实际测量数据对算法进行了验证,试验结果表明该方法大大提高了高精度测量距离的范围,有效解决了航天器间相对位置姿态的远距离测量精度及稳定性问题.     

基于PSD和光源调制的合作目标位姿探测方法

空间目标的相对位置与姿态探测是航天器对接领域的研究重点,探测方法主要分为遥测法和光学测量法两大类.其中,后者依靠其速度快、稳定性高、信息量大等优势,成为了近距离位姿探测的主要方法.我们通过双目视觉模型可计算出空间合作目标上特征光点深度信息,再根据特征光点间已知的结构、尺寸等约束信息,实现对目标姿态的解算.本文依据PSD相较于CCD和CMOS传感器,有无需图像特征提取过程、响应速度快、位置分辨率高等优势,且双目立体视觉系统的仿生学结构可直接获取到探测目标的深度信息,提出了采用双PSD视觉模型,并配合特征光点的亮度与顺序联合调制实现对空间合作目标的位姿探测方法.实验结果表明,当光标靶姿态调整±30°时,系统的平均测量误差为2.541°,当姿态角小于15°时,俯仰角和偏航角的平均偏差分别为0.923°和0.563°;大于15°时,受限于光源发散角度的影响,俯仰角和偏航角平均偏差分别增加至4.566°和4.106°,系统能够快速、稳定解算光标靶的空间位姿.     

位姿闭环控制的高精度脑外科机器人

为解决现有脑外科机器人存在的绝对定位精度难于满足精细手术应用的问题,提出一种视觉伺服的系统方案,引入高精度光学跟踪手段,对机器人的末端位姿进行实时测量并反馈。采用一种基于关节空间控制和位姿空间动态补偿综合的机器人视觉闭环控制方法,并设计了动态校正控制算法。仿真结果表明:动态位姿闭环可以有效克服各种参数误差因素的影响,对机器人的绝对定位和跟踪误差具有校正作用,明显改善了轨迹跟踪精度,同时提高了鲁棒性能。绝对定位达到神经外科手术±1mm的精度要求,实际运用取得了令人满意的结果。     

基于对偶四元数的交会对接相对位姿测量算法

为了提高交会对接近距离段的相对位置姿态测量的实时性和准确性,提出了利用对偶四元数方法求解交会对接近距离段的相对位姿.该方法可以整体考虑追踪航天器坐标系和目标航天器坐标系间的相对旋转和平移,保持了刚体运动的完整性,克服了传统方法的缺陷.数值仿真验证了该方法的有效性.     

非接触式动态位姿测量方法研究

针对非接触式动态位姿测量系统在人体运动信息检测的应用中对人体精细、微小动作测量精度的要求,提出了非接触式动态位姿测量系统的重构修正模型.该模型以三维重构理论知识为基础,综合考虑影响测量系统精度的多种因素,给出了测量误差理论体系,确定了该模型的修正成像方程.实验表明:通过基于修正模型的非接触式动态位姿测量系统进行静态标定和动态位姿参数测量,测量精度比修正前有明显提高.     

空间非合作目标特征提取与运动测量方法

在轨服务空间目标通常具有"非合作"特性,难以提取其特征并测量运动状态,针对这一问题,本文提出了一种空间非合作目标特征提取与运动测量方法.首先,对双目相机采集的目标图像进行阈值分割,将目标对接环区域与背景环境分割开来,采用Canny算子方法来检测星箭对接环边缘;其次,通过对目标边缘外形特点分析,采用Hough变换来提取十字支架直线特征,采用最小二乘法来拟合星箭对接环轮廓;再次,采用"平行等效投影"结合"极线对准"的方法,实现汇聚式双目视觉的左右相机图像匹配;最后,通过对星箭对接环和十字支架特征点进行三维重建,获取星箭对接环相对位置,采用双矢量定姿方法来确定星箭对接环相对姿态.地面仿真试验表明,该算法能够有效测量星箭对接环相对位置和姿态,在距目标1.5 m处,相对位置精度优于15 mm,相对姿态精度优于1.12°.本文的研究能够实现非合作目标对接环相对位置和姿态的精确测量,为空间非合作目标抓捕、维修、加注、模块更换、轨道转移等在轨服务任务提供测量基础和重要支撑,具有重要实际应用价值.     

盲环境移动定位(Ⅱ):基于单目视觉系统的定位技术

针对盲环境中移动目标的定位需要,提出了一种基于序列编码图形路标和单目机器视觉系统的盲环境移动目标定位算法.内容包括:在序列编码图形路标模型的基础上,建立包含透镜畸变分析的摄像机针孔成像模型,在移动目标上安装经过标定的单目相机,实时采集包含编码图形路标的图像;根据解码得到的编码标志牌中心点的三维坐标,利用POSIT算法解算出相机的位姿参数,实现盲环境下移动目标的精确定位定姿.实验结果和精度分析表明,该研究为盲环境中移动目标快速精确的自主定位提供了一种可行的新方法.     

液压四足机器人在野外随行中的定位研究

针对液压四足机器人在野外环境中有效随行的问题,提出了一种相对于引导员的定位方法.通过双目视觉定位和单目视觉定位融合方法来提高系统定位精度和鲁棒性,其中双目立体视觉采用轮廓检测和动态规划法求取整体最优估计,并利用Newton迭代法估计最优位姿.由于引导员可能穿着与周围环境相似的迷彩服,还设计了一种识别性高、检测容易的标志作为引导员的标志.最后,通过仿真实验验证了系统的有效性和定位精度,并且在液压四足机器人的实物上进行了实验,证明了本系统的可行性.      

基于单目运动摄像机的三维物体运动参数估计

针对单目视觉监测系统摄像机和目标物体同时运动时,如何有效测量物体三维运动参数的难题,提出一种基于单目序列图像对插入虚拟视点的算法确定运动物体位姿及运动参数的方法。动摄像机连续采集运动物体的图像序列,根据摄影几何原理对摄像机和运动物体进行分析,结合本质矩阵的特性,估算空间物体运动参数。实验结果表明,该方法能够在为摄像机与目标物体同时运动的情况下,有效地估测出物体三维运动参数,且该方法简单有效,具有较高的精确度和准确性。     

基于视觉的六自由度机械臂运动学参数辨识

提出一种新型低成本的基于单目视觉的机器人末端位姿测量方法,设计并实现了六自由度机械臂的运动学参数辨识。采用分级测量方法和标定板绝对编码方法,解决了当前视觉测量过程中测量范围小、测量精度受相机畸变影响大等问题;使用基于位置误差的运动学参数辨识模型和单目视觉测量系统,简化了机器人的标定过程。最后,通过实验验证了方案的实用性和有效性。     

机器视觉辅助的插头锥套式无人机自主空中加油仿真

为准确获取无人机自主空中加油对接阶段受油插头与加油锥套的相对位姿信息,提出一种机器视觉辅助的插头锥套式无人机自主空中加油方案。研究了机器视觉识别跟踪加油锥套的算法,利用卡尔曼滤波算法估计无人机与加油锥套的相对位姿。实验结果表明:机器视觉图像处理算法可精确识别跟踪加油锥套,滤波器估计的相对位姿误差收敛速度较快,满足插头锥套式无人机自主空中加油的需要。     

空间机器人自主视觉伺服控制策略

针对传统的空间机器人遥操作控制方法受时延影响严重的问题,基于最新研制的4自由度空间机器人,提出一种基于多目相机的自主复合控制策略.该策略包含了眼在手和眼到手2种相机配置结构,每个相机均具有独立的位姿计算能力,前者保证了伺服控制的精度以及操作的灵活性,后者能够在观察到全局视景的情况下做出伺服控制.为满足机器人视觉实时控制的需求,对视觉处理算法进行了特别考虑.首先,设计了基于多边形形状拟合的特征识别方法,提出曲线矢量数据贪婪算法来处理图像遍历拟合过程中计算密集的问题;其次,结合特征识别结果和模型目标的空间信息,提出基于弱透视模型的单目位姿估算及优化算法;最后,依据所提策略在实验室环境中完成了自主导航及捕获任务,验证了在较低层次进行这种复合控制的可行性和有效性.     

一种多相机视觉测量系统的全局标定方法

提出了一种基于双平面靶标的多相机全局标定方法,要求两靶标之间为刚性联接,绕同一根轴旋转,但它们之间的相对位姿关系可以是未知的.该方法不仅适用于立体视觉测量系统,也适用于基于单目视觉的多相机测量系统,应用于四轮定位仪中多相机相对位姿关系的出厂标定,标定精度满足出厂要求.     

盲环境移动定位(Ⅰ):序列编码图形路标识别算法

针对无卫星导航信号的盲环境中移动目标定位需要,提出一种适合于盲环境移动定位的序列编码图形路标技术方案,包含更多可用信息的序列编码图形路标方案.在测试环境中布设序列编码图形标志牌,建立了实现盲环境中移动目标快速定位定姿的路标模型实时采集包含编码图形路标的图像,利用SIFT(scale invariance feature transform)算法定位编码图形路标,使用Otsu算法进行图像分割和路标边界跟踪,利用快速Hough变换确定编码中心,全自动解译出路标信息,并根据编码库查询得到编码标志牌中心点的三维坐标.实验结果表明,方法可行、算法有效,为盲环境中移动目标的精确定位定姿技术开发奠定了路标基...     

基于序列图像的视觉定位

提出了一种静止摄像机条件下基于计算机视觉的工业机器人的定位算法。采用单目视觉系统,由线性摄像机模型推导出定位测量模型。通过序列图像,以一种改进的自适应混合高斯模型更新背景,运用背景差分法检测出运动目标,用CAMSHIFT算法实现对运动目标的跟踪,确定其位置和姿态,估计出运动参数,反馈给机器人指导其准确运动。实验结果表明,该方法快速、有效,能够满足视觉定位的实时性要求。