非合作航天器相对位姿的鲁棒视觉确定方法

以非合作航天器的相对状态确定为研究背景,针对无法在目标航天器上安装测量光标的问题,提出利用目标航天器自然特征的单目视觉测量方案.并针对仅利用非合作航天器自然特征而导致的粗大误差增大等问题,提出了基于Randomized RANdom SAmple Consensus(R-RANSAC)的相对位姿单目视觉确定鲁棒算法,该算法首先采用R-RANSAC剔除粗大误差,然后利用基于特征点的相对位姿确定迭代算法消除其他类型的误差影响,以进一步提高算法确定精度.与航天器交会对接视觉系统不同,该系统无需在目标航天器上安装测量光标,而是充分利用目标航天器的自身结构特征,因此更适用于非合作航天器间的相对状态测量.最后对本文算法进行了数学仿真,结果表明该算法的有效性和可靠性.     

基于视觉信息的航天器位姿估计迭代算法

基于视觉信息的空间目标相对位姿估计问题是未来空间操作的关键所在,正交迭代算法是一种具有实时性好且全局收敛特点的单目位姿估计算法.为了有效利用多个摄像机荻取的数据,进一步提高位姿估计算法的综合性能,提出了一种双目正交迭代融合算法,取两个摄像机获取的所有特征点的目标空间共线性误差平方和作为误差函数,推导得到使两个摄像机总的...     

一种基于直线特征的单目视觉位姿测量方法

提出了一种基于直线特征的单目视觉位姿测量方法SoftNewton。构造了新颖的目标直线与图像直线匹配评价函数,避免检测图像中直线的端点,最终通过软决策技术确定直线特征匹配关系,并采用高斯牛顿迭代算法基于全透视成像模型解算目标位姿。和POSIT算法相比,高斯牛顿迭代算法保持了旋转矩阵的正交性,提高位姿解算精度。仿真图像实验中,在干扰直线和噪声存在的情况下算法经过29次迭代解算得到正确的直线特征匹配矩阵,姿态误差小于0.2°,位移误差小于0.5 mm。仿真图像和实际图像实验结果均表明SoftNew-ton具有较高解算精度和较强的鲁棒性。     

基于单目视觉的空间定位算法

为解决基于单目视觉的像机空间定位问题,基于射影几何原理,提出了一种利用特殊标志点的空间几何信息和光学像机实现像机与标志点的相对位姿测量,进而推算像机的空间坐标位置的方法.该方法避免了计算过程中对每帧图像都进行复杂的非线性解算,而利用像机与标志物间一种特殊姿态即正视投影作为连续位姿计算的起点和初始值,利用帧间约束来进行后续帧的位姿跟踪计算,达到既保证计算精度,又减少计算量的目的.在试验和实际应用中均取得良好效果.     

基于循环神经网络的双目视觉物体6D位姿估计

针对当前物体6D位姿估计任务准确率较低的问题,提出双目数据集制作方法及物体6D位姿估计网络Binocular-RNN.将YCB-Video Dataset中已有图像作为双目相机左摄像头捕获内容,利用Open GL将YCB-Video Dataset中相应三维物体模型进行导入,输入各物体相关参数,由虚拟双目相机右摄像头捕获合成图片.利用单目预测网络分别对双目数据集中左、右图像的几何特征进行提取.经过循环神经网络对几何特征进行融合,并预测物体6D位姿.以模型点平均距离(ADD)、平均最近点距离(ADDS)、平移误差和角度误差作为评价指标,对Binocular-RNN与其他位姿估计方法进行对比.结果表明,在利用单一物体对网络进行训练时,Binocular-RNN的ADD或ADDS指标得分分别为PoseCNN、GDR-Net的2.66、1.15倍.利用基于物理的实时渲染（Real+PBR）方式训练的Binocular-RNN的性能超过基于深度神经网络的迭代6D姿态匹配的方法 (DeepIM).     

基于四元数和航天器姿轨信息的相对位姿确定算法

航天器间的相对位姿确定是航天器编队飞行、交会与对接、捕获与维护等重大航天任务的关键技术.基于图像信息的相对位姿确定是目前国内外研究的热点,是解决航天器相对位姿确定问题的有效方法.文中在航天器姿态动力学、机器视觉理论基础上,提出基于四元数和航天器姿轨信息的相对位姿确定算法.在定姿方面,该算法采用了四元数法,与传统的Hall算法相比,降低了雅可比矩阵的阶数,从而减小了计算量;另外,在基于四元数算法的最小二乘估计中,该算法充分利用了航天器姿轨信息作为初始值,减少了计算的迭代次数,提高了算法的效率.     

基于L-M算法的正交Stewart平台位姿正解的初值补偿

针对牛顿拉夫逊迭代法求解正交Stewart六自由度平台位姿正解对迭代初值依赖的问题,提出基于Levenberg-Marquardt(L-M)算法改进的BP神经网络模型,进而实现对Stewart平台位姿正解的迭代初值补偿值计算,并与基于BFGS拟牛顿算法、SCG量化共轭梯度算法、GDA梯度下降自适应算法所建立的BP神经网络模型进行对比分析,重点分析模型的适应性、预测输出、误差性能等。结果表明:采用提出的基于L-M算法改进的BP神经网络模型对正交Stewart六自由度平台位姿正解的迭代初值校正后,收敛速度有显著提升,初始值校正误差低于0.1%,校正结果满足预期要求。     

双目立体视觉的无人机位姿估计算法及验证

针对无人飞行器在未知复杂环境下的导航问题,提出了一种基于双目立体视觉的无人飞行器位置和姿态估计算法。用双目摄像机采集立体图像序列,对图像进行立体校正后使用Harris算法提取特征角点,用NCC算法获取匹配特征点,导出摄像机坐标系下的特征点坐标,得到三维立体特征信息,使用RANSAC算法与L-M迭代算法得到无人飞行器姿态和位置估计值。实验结果表明,基于双目立体视觉的位姿估计算法能适应未知环境变化,计算结果与实际位姿量相比误差小,能满足无人飞行器导航要求,可为无人飞行器的导航实现提供一套新途径。     

并联机构实现舱段对接的位姿测量方法及试验研究

针对目前串联对接技术的不足,为实现舱段自动对接,研制了一套以激光跟踪仪为测量设备,并联机构为对接机构的舱段对接系统,提出了一种位姿测量及换算方法,旨在为并联机构实现舱段对接提供可靠的调姿运动参数.首先,以特征测量为基础,匹配移动舱段与激光跟踪仪之间的坐标系关系,将移动舱段坐标系作为中间坐标系,分别构造移动舱段与动平台及...     

非合作目标在轨服务最终接近段视觉导航算法

为解决在轨服务最终接近段传统单目视觉相对导航方法受相机视场限制以及非合作航天器无法设置人工靶标的问题,提出了以非合作航天器太阳帆板三角形支架的部分结构为测量目标的视觉相对导航算法.首先,设计了"自拍杆"相机安装结构和相机实时标定方案,给出了视觉相机安装角的计算方法;然后,基于逆投影原理构建满足三角形支架实际空间几何构型约束的优化模型,采用蚁群搜索算法求解特征点的景深,并应用绝对定位方法估计航天器之间的相对位置和姿态;最后,以非合作航天器在轨服务最终2 m~0 m的接近段为背景进行数学仿真,在相对距离小于1 m时,航天器之间的相对位置和相对姿态确定精度分别优于3 mm和0.2°,验证了算法的有效性和可行性.数学仿真结果表明:该相对导航方案可行,导航算法具有较高的精度,且相对导航的精度随着航天器之间的相对距离的逐渐减少而逐渐提高;同时,该算法对投影点测量误差具有较好的鲁棒性,在投影点测量误差较大时仍具有较高的精度.     

航天器相对视觉／IMU导航量测修正多速率滤波

针对具有单目视觉和惯导组件(IMU)的航天器相对导航问题,研究了以量测信息为修正手段的异速滤波算法.异速滤波也就是多速率卡尔曼滤波器,其中滤波过程被分解为量测更新和时间更新,根据实际情况选取滤波器周期,一般可选取频率较快的系统采样周期作为组合导航系统的滤波周期,根据是否有慢速信息决定在滤波时刻进行时间更新或者量测更新.为增强滤波器对观测信息的适应能力,设计利用量测信息对滤波量测噪声阵和状态估计误差协方差阵进行后验修正.理论分析和数学仿真均表明,基于量测修正的多速率卡尔曼算法能够提高滤波器的数据更新频率,同时改善滤波器的性能,提高导航系统的冗余度.     

Second-order divided difference filter for vision-based relative navigation

A second-order divided difference filter (SDDF) is derived for integrating line of sight measurement from vision sensor with acceleration and angular rate measurements of the follower to estimate the precise relative position,velocity and attitude of two unmanned aerial vehicles (UAVs).The second-order divided difference filter which makes use of multidimensional interpolation formulations to approximate the nonlinear transformations could achieve more accurate estimation and faster convergence from inaccurate initial conditions than standard extended Kalman filter.The filter formulation is based on relative motion equations.The global attitude parameterization is given by quarternion,while a generalized three-dimensional attitude representation is used to define the local attitude error.Simulation results are shown to compare the performance of the second-order divided difference filter with a standard extended Kalman filter approach.     

一种基于目标特征的航天器间相对姿态测量方法

提出了一种基于目标特征的航天器间相对位置和相对姿态单目视觉测量方法。该方法利用目标特征点在物体坐标系中的空间坐标及其在像平面上成像点的图像坐标,根据透视成像理论,采用针孔模型解算出目标航天器与图像传感器的相对状态。提出了一种新的目标靶特征点构型设计方法,该方法适用于较大偏转姿态角的应用环境。仿真结果表明:新的特征点构型适应性好,能提高测量方法精度。该测量方法可直接用于航天器编队飞行及空间站交会对接过程中的相对姿态测量。     

INS/Vision相对导航系统在无人机上的应用

提出了一种考虑视觉导航设备输出时间延迟问题的INS/Vision相对导航方法,推导了长机与僚机之间的相对惯导方程.给出了长机与僚机之间相对视线矢量测量原理,僚机上设置若干特征光点,长机上的视觉导航设备通过对特征光点观测,得到相对视线矢量.应用扩展卡尔曼滤波融合相对惯导信息和相对视线矢量信息,估计出长机与僚机之间的相对姿态、相对速度和相对位置.针对视觉导航设备量测量存在时间延迟的问题,给出了延迟后量测量与惯导信息融合的方法,最后通过仿真研究证明了该相对导航方法的有效性.     

Determining relative position and attitude of a close non-cooperative target based on the SIFT algorithm

A binocular stereo vision positioning method based on the scale-invariant feature transform(SIFT)algorithm is proposed.The SIFT algorithm is for extracting distinctive invariant features from images.First,image median filtering is used to eliminate image noise.Then,according to the characteristics of the target satellite,image map is used to extract the middle part of the target satellite.At last,the feature match point under the SIFT algorithm is extracted,and the three-dimensional position and orientation are calculated.The features are invariant to image scale and rotation,and are shown to provide robust matching across a substantial range of affine distortion,change in 3Dviewpoint,addition of noise,and change in illumination.The experimental result shows that the algorithm works well and the maximum relative error is within 0.02 mand 2.5°.     

一类Lyapunov矩阵方程组的迭代方法

为了得到一种有效的算法来求解离散马尔科夫跳跃线性系统中出现的Lyapunov矩阵方程组,基于递阶辨识原理和梯度迭代算法,构造了一种新的迭代算法。该算法利用递阶辨识原理将原本复杂的Lyapunov矩阵方程组简单化,使其更易于求解,并给出了2个数值例子。理论研究和数值实验表明,此算法是行之有效的,且具有一定的应用价值。     

航天器自主姿态控制的正规矩阵设计方法

为满足航天器自主系统的在轨重设计及对重设计结果进行评估的要求,研究了姿态动力学自然特性以及基于结构特性的姿态控制设计方法。证明了挠性航天器姿态动力学传递函数矩阵的正规性,并对惯量矩阵的对角优势性进行了分析。将这两个特性应用于姿态控制设计,分别得到了乘性摄动和逆加摄动不确定性描述下的鲁棒稳定条件。给出了姿态控制的正规矩阵设计方法,而且设计结果的鲁棒性容易检验,适合在自主航天器中应用。对这两种鲁棒稳定条件的比较表明,逆加摄动下的结果可以更好地兼顾各回路的性能要求。