基于视觉的近距离非合作空天目标的相对位姿测量技术研究

中图分类号：TP391论文编号：102870312-S046学科分类号：081102硕士学位论文基于视觉的近距离非合作空天目标的相对位姿测量技术研究研究生姓名李文跃学科、专业检测技术与自动化装置研究方向计算机视觉指导教师徐贵力教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二○一二年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonMeasurementofRelativePosebetweentwoNon-cooperativeSpacecraftsinShortRangebasedonComputerVisionAThesisinMeasurementTechnologyandAutomaticInstrumentbyLiWenyueAdvisedbyProf.XuGuiliSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2012承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文i摘要随着人类对空间的不断探索和深入，空间飞行器交会对接、在轨服务等近场操作在空间计划和任务中扮演着越来越重要的角色。要实现空间飞行器交会对接等近场操作，相对位姿的测量是关键技术之一。为了实现近距离非合作目标航天器的相对位姿的测量，本文研究基于双目立体视觉与三维激光扫描仪相融合的近距离非合作目标相对位姿测量方法。在100m-20m阶段，立体视觉系统从目标图像中识别出目标航天器，并对其进行轮廓提取和跟踪，获取目标航天器的方位角信息，三维激光扫描仪测量目标航天器的相对距离信息；在20m-2m阶段，双目立体视觉系统与三维激光扫描仪融合获取准确的深度信息，并利用几何结构确定目标航天器的相对姿态信息。由于空间环境和光照条件的影响，立体视觉系统采集的目标航天器图像对在不同距离不同角度存在着不同程度的图像退化，仿射变换和图像模糊是最普遍的图像退化。本文首先将仿射不变矩和模糊不变量在数学原理上进行融合研究，以形成仿射模糊融合矩对目标航天器退化图像进行识别；其次研究仿射模糊融合矩的尺度空间不变性，验证其在不同尺度空间的稳定性；最后通过数学仿真实验和半物理仿真实验研究仿射模糊融合矩的仿射不变性和模糊不变性。实验结果表明，应用仿射模糊融合矩对目标航天器的平均识别率达到92%，远高于仿射不变矩的76%。为了实现目标航天器表面特征点的立体深度恢复，本文研究了目标航天器的立体匹配特征提取。首先研究基于Harris算子的特征角点提取；其次由于追踪航天器通常配置宽基线立体视觉系统，视觉系统采集的目标航天器图像对可能存在旋转、尺度和光照变化等问题，因此研究基于SIFT算子的特征点提取和匹配；最后研究基于Hough变换的特征线提取，并提出基于激光点位置的目标边界直线判定方法，解决目标边界直线无法稳定提取的问题。在相对位姿测量阶段，在分析立体视觉的深度恢复原理的基础上，提出基于立体视觉的相对位姿测量算法；并对相对位姿测量进行误差分析，根据立体深度恢复的原理，提出新的立体深度和视差关系模型，极大地提高了立体深度恢复和相对位姿测量的精度。实验结果表明，模型修正后在1600mm处深度恢复的相对误差由9.2%减小到0.75%，俯仰角、偏航角和滚转角与参考点相差45°时绝对误差分别降低了0.35°、1.17°和1.52°，基本能够满足非合作目标航天器相对位姿测量的精度要求。关键词：非合作目标航天器，立体视觉，三维激光扫描仪，目标识别，特征提取，立体深度恢复，相对位姿测量基于视觉的近距离非合作空天目标的相对位姿测量技术研究iiABSTRACTWiththedevelopmentofspacetechnology,proximityoperationshavebecomemoreandmoreimportantinmanyspace-relatedapplications,inwhichthemeasurementsofrelativepositionandorientationarethekeypoints,suchasRendezvousandDockingSatelliteServicingSatelliteCapture,etc.Forrelativeposemeasurementbetweentwonon-cooperativespacecraftsinshortrange,anewmethodbasedoncombinationofbinocularstereovisionandthree-dimensionallaserscannerisproposed.Whenthedistancebetweenthetwosatellitesreducesto100m,thetargetsatelliteisdetectedbythestereoscopicsystem.Theshapeofthetargetsatelliteisextractedandtrackedbythestereovisionforrelativeorientationdeterminationoftheservicesatellite.Simultaneouslytherangeinformationisobtainedwiththehelpofthree-dimensionallaserscanner.Whenthedistancedecreasesto20m,therelativeorientationisdeterminedbytheanalysisofthegeometricstructure,andhighprecisionrangedistanceismeasuredbythecombinationofbinocularstereovisionandthree-dimensionallaserscanner.Becauseoftheinfluenceofspaceenvironmentandvariationinillumination,almostallthetargetimagesdegradeinameasure,suchasaffinetransformationandimageblurring.Acombinationofaffinemomentinvariantsandblurringinvariantsisproposedfortargetrecognitionofdegradedimagesaccordingtothemathematicalprincipleofinvariants.Testsperformedonsimulatedimagesandactualimagerieshaveshowntheexcellentrobustnessandaccuracyofthedevelopedinvariants.Theaveragerecognitionratehasreached92%,whichoutclassesthatofaffinemomentinvariants.Duringtheimagefeatureextraction,Harrisalgorithmisresearched,andinordertoeliminatetheimpactofrotationandilluminationvariationinwidebaselinestereomatching,SIFTlocaldescriptorisalsoresearched.Forthesakeoffeaturelineextraction,Houghtransformsalgorithmisstudiedandthenanovellinedetectionalgorithmisproposedwhichcandescribetheboundaryoftheobject.Finally,accordingtotheprincipleofstereodepthcalculation,analgorithmformeasurementofrelativeposebasedonstereovisionisproposed.Furthermore,anovelmodelbetweenstereodepthandstereodisparityisproposedthroughanalyzingtheerrorofrelativeposemeasurement.Theexperimentalresultsindicatethatthedevelopmodelcanmeettherequirement.Keywords:non-cooperativespacecraft,stereovision,three-dimensionallaserscanner,objectrecognition,featureextraction,stereodepthcalculation,relativeposemeasurement南京航空航天大学硕士学位论文iii目录第一章绪论..........................................................................................................................................11.1课题的研究背景及意义..........................................................................................................11.2国内外研究现状及发展趋势..................................................................................................21.2.1国外研究现状...............................................................................................................21.2.2国内研究现状...............................................................................................................51.2.3发展趋势.......................................................................................................................61.3主要存在问题..........................................................................................................................61.4本文的主要工作及创新点......................