交会对接逼近阶段飞行器空中位置和姿态的视觉测量

交会对接逼近阶段飞行器空中位置和姿态的视觉测量技术,是各个太空大国和组织竞相研究的一个热点问题,是一项涉及多学科知识的综合性技术。本论文来源于某民用航天预研项目,围绕交汇对接最后逼近阶段飞行器空中位置和姿态的视觉测量技术展开深入讨论。研究内容包括基于双目立体视觉测量模型的飞行器位置和姿态测量方法、对特征信息提取的图像处理算法、飞行器特征信息设计方法、飞行器特征点匹配方法以及实验模拟系统设计等。 论文的主要研究内容和结论体现在以下几个方面: 1.建立了基于双目立体视觉测量的飞行器空中位置和姿态视觉测量的数学模型,推导出从两幅图像中匹配点的二维坐标到空间三维坐标转换的变换关系。通过建立飞行器机体坐标系,对复杂的飞行器系统进行了简约的抽象数学描述,确定了以太阳能电池帆板连接轴中心点作为飞行器空中位置坐标的描述参量,飞行器机体坐标系绕世界坐标系各坐标轴旋转的三个旋转角作为飞行器空中姿态的描述参量。 2.对特征信息提取的图像处理算法进行了细致的研究。包括canny边缘检测、基于Hough变换的直线段检测、圆和椭圆的检测等。同时研究了膨胀操作、腐蚀操作、梯度操作等形态学图像处理方法。实验表明运用上述方法可以有效地提取图像中直线、椭圆等特征信息,并准确地求得相应直线以及椭圆曲线的参数。 3.根据空间飞行器交会对接逼近阶段空中姿态视觉测量的实际背景,建立了飞行器太阳能帆板特征平面和飞行器舱体前端特征平面两个相对独立的特征系统,并对特征信息进行了合理的设计。依据特征信息的设计特点,制定了基于“太阳能帆板平面上三条基准线”和“舱体前端特征平面上特征圆”的特征点提取方案,以及基于“基准线分组导引”的特征点匹配策略。 4.建立了基于运动控制平台的视觉测量实验系统,确定了实验方案,进行了相应的静态实验和动态实验。通过对各组实验数据的研究分析以及对特征点的三维重构恢复,结果显示对飞行器模型同一位置的坐标测量重复性精度优于0.2mm,角度测量的重复性精度优于0.01°;沿三个坐标轴方向移动的距离测量精度优于0.4mm,角度测量精度优于0.2°。实验结果验证了本文所提出的有关飞行器位置和姿态测量算法的有效性。最后对实验系统的误差因素进行了分析,并提出了一些减小误差的方法措施。