基于激光雷达slam的失效航天器近距离捕获技术研究

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1、中图分类号：V448论文编号：102871518-SZ004学科分类号：085210硕士学位论文基于激光雷达SLAM的失效航天器近距离捕获技术研究研究生姓名马云专业类别工程硕士专业领域控制工程指导教师康国华研究员南京航空航天大学研究生院航天学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAstronauticsResearchonProximityCaptureTechnologyofFailureSpacecraftBasedonSLAMUsingLIDARAThesisinC

2、ontrolEngineeringbyYunMaAdvisedbyResearcher.GuohuaKangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018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

3、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：南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文摘要我国的空间事业飞速发展，对在轨服务技术的要求也越来越高。在轨服务服务包括失效航天器的在轨捕获。然而，失效航天器是非合作目标且空间环境复杂多变，增加了近距离捕获的难度。为了解决该问题，将同步定位与地图构建（SLAM）技术应用到空间非合作目标的研究中。本文以空间长期失效航天器为服务对象，基于激光雷达SLAM对近距离自主捕获系统进行方案设计以及关键技术研究，有助于提高空间资源利用率，为未来我国在轨服务技术提供研究思路。本文的主要工作包括以

4、下几个方面：论文首先对失效目标航天器的近距离自主捕获系统的总体设计思路进行了梳理，对关键技术进行分析，并设计了总体方案。同时，对长期失效航天器的典型机构和运动特点进行分析，构建出系统的应用场景，并对方案的可行性作分析，为后续捕获技术研究奠定基础。其次，论文研究了一种基于SLAM的失效航天器的环境建模方法。将通用的图优化SLAM方法应用到空间近距离捕获任务的场景中，利用激光雷达和惯性传感器采集数据，建立数据之间的关联并构建服务航天器的位姿图，然后利用闭环检测的约束信息对位姿图进行优化。为解决SLAM算法在动态场景中产生累积误差问题，本文根据失效目标航天器自身运动特点的规律性，提出一种基于先验

5、子图检测的SLAM算法。以服务航天器围绕失效目标航天器绕飞为例，开展仿真实验研究，仿真结果验证了改进后算法的可行性，满足系统的设计指标。为了满足后期捕获失效航天器的任务需求，本文采用激光雷达对失效航天器的典型机构进行识别并估计相对位姿。为解决点云匹配算法复杂度高、耗时久问题，对点云进行降采样，提取边界特征点，由边界点进行点云配准，并在位姿估计过程中研究了一种优化算法。以服务航天器在悬停点对失效目标航天器观测为例，开展仿真实验，仿真结果表明算法达到任务需求。最后，论文提出了服务航天器捕获失效航天器的框架，制定了服务航天器捕获失效非合作目标的控制策略，并针对接近过程中的避障和运动学及动力学约束

6、问题，提出基于APF改进的A*算法进行最优路径规划。以服务航天器从悬停点接近失效目标航天器为例，开展仿真实验，对路径规划算法进行验证分析并对近距离捕获系统进行评估。关键词：近距离捕获，失效航天器，激光雷达，同步定位与地图构建，路径规划I基于激光雷达SLAM的失效航天器近距离捕获技术研究ABSTRACTWiththedevelopmentofspaceinourcountry,therequirementsofon-orbitservicetechnologybecomehigherandhigher.On-orbitserviceincludescaptureoffailurespacec

7、raft.However,failurespacecraftisanuncooperativetargetandthespaceenvironmentiscomplexandvaried,whichincreasesthedifficultyofproximitycapture.Inordertosolvethisproblem,thetechnologyofsimultaneouslocationandmapping(