基于马达代数的目标航天器位姿视觉测量技术研究

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1、中图分类号：V448.2论文编号：102871516-S013学科分类号：081105硕士学位论文基于马达代数的目标航天器位姿视觉测量技术研究研究生姓名陈伟学科、专业导航、制导与控制研究方向航天器视觉导航指导教师王惠南教授南京航空航天大学研究生院航天学院二О一六年一月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAstronauticsResearchonVisualMeasurementTechnologyBasedonMotorAlgebraf

2、orSpacecraftAttitudeandPositionDeterminationAThesisinNavigation,GuidanceandControlbyChenWeiAdvisedbyProf.WangHuinanSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2016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

3、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摘要随着航天科技的高速发展，目标航天器相对位姿测量技术在交会对接、在轨维护、空间捕获等各类航天任务中占据着越来越重要的地位。其中基于视觉的位姿测量方法具有体积小、质量轻、成本低、功耗低以及稳定性好等优点，在航天器近距离逼近阶段中得到

4、了广泛的应用。本文对基于单目以及双目视觉的目标航天器相对位姿测量技术进行研究，旨在找到更为实用、简洁度高、实时性好、可靠性强的位姿解算算法。首先，对旋转和位移矩阵、欧拉角、四元数等传统的刚体位姿变换描述工具进行说明，然后重点介绍了马达代数这一可以统一描述位置和姿态的新型数学工具，并推导了马达代数框架下点和直线的运动模型。另外对单目以及双目视觉的测量原理进行了研究，建立了相机成像模型以及畸变矫正模型。其次，针对合作以及非合作目标航天器，分别设计了不同的位姿视觉测量方案。其中合作目标上设置有尺寸、空间位置已知的特征光点，测量时通过双目视觉对其进行

5、识别，然后解算出位姿值；对于非合作目标航天器则提出了一种单目视觉和激光测距相结合的位姿测量方案，通过单目相机识别目标上的矩形面从而计算出其姿态值，然后通过激光测距仪获取其相对位置信息。在此基础上，本文还重点推导了马达代数框架下的合作以及非合作目标位姿解算算法，算法所需计算参数较少，简洁度高，实时性好，数值仿真实验显示其精度能满足实际测量要求，且受噪声影响较小。最后，搭建了一种基于微软体感设备Kinect的位姿测量地面演示验证平台，对所提出的非合作目标航天器位姿解算算法进行了充分的验证。关键词：目标航天器，相对位姿测量，单目视觉，双目视觉，马达

6、代数，KinectI基于马达代数的目标航天器位姿视觉测量技术研究ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofaerospacescienceandtechnology,relativepositionandattitudedeterminationoftargetspacecraftsoccupiesamoreandmoreimportantpositioninmanykindsofspacemissions,suchasrendezvousanddocking(RVD),on-orbitmaintenanceandso

7、on.Visualmeasurementmethodsarewidelyusedinthecloseapproximationstageoftwospacecrafts,whichhavetheadvantagesofsmallvolume,lowcost,lowpowerconsumption.Inthispaper,visualmeasurementtechnologyofpositionandattitudedeterminationisresearchedinordertofindsomemorepracticalalgorithms

8、withhigherconcisedegree,betterreal-timeperformanceandhigherreliability.Firstly,tra