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《基于變焦距視覺的空間機械臂在軌位姿測量方法研究.pdf》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在學術(shù)論文-天天文庫。
1、嗨！thesis博士學位論文基于變焦距視覺的空間機械臂在軌位姿測量方法研究ON-ORBITPOSEMEASUREMENTMETHODBASEDONZOOMVISIONFORSPACEMANIPULATOR夏齊哈爾濱工業(yè)大學2018年01月國內(nèi)圖書分類號：V476.1學校代碼：10213國際圖書分類號：621密級：公開工學博士學位論文基于變焦距視覺的空間機械臂在軌位姿測量方法研究博士研究生：夏齊導師：齊乃明教授申請學位：工學博士學科：航空宇航科學與技術(shù)所在單位：航天學院答辯日期：2018年01月授予學位單位：哈爾濱工業(yè)大學Classi?edIndex:
2、V476.1U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringON-ORBITPOSEMEASUREMENTMETHODBASEDONZOOMVISIONFORSPACEMANIPULATORCandidate:QiXiaSupervisor:Prof.NaimingQiAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:AeronauticalandAstronauticsScienceandTechnologyA?liation:Sc
3、hoolofAstronauticsDateofDefence:January,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要隨著航天活動的日益頻繁，空間機械臂在航天器捕獲、空間交會對接和在軌設備維修等方面起著越來越重要的作用。為有效保證在軌服務任務的高效性和可靠性，采用視覺敏感器進行目標測量跟蹤對于空間機械臂執(zhí)行在軌任務具有重要的意義。空間機械臂機構(gòu)復雜、任務多樣，且在軌空間環(huán)境條件苛刻，傳統(tǒng)的定焦測量相機無法兼容空間機械臂工作空間覆蓋問題和目標圖像像素分辨率不足問
4、題。因此本研究采用空間變焦相機對空間機械臂末端執(zhí)行器和合作目標進行位姿測量，以適應多任務環(huán)境下空間機械臂的不同需求，同時滿足空間機械臂在軌位姿測量的高精度和實時性要求。本研究針對空間變焦相機在軌位姿測量所產(chǎn)生的若干關鍵問題展開，主要完成內(nèi)容如下：（1）針對變焦距視覺在軌位姿測量建模問題和標志器參數(shù)設計問題，提出了基于空間變焦相機在軌測量模型的5點標志器參數(shù)優(yōu)化方法。建立了變焦距視覺成像模型、空間坐標測量模型和單目標位姿求解模型；在此基礎上，推導了空間機械臂的變焦距視覺測量模型，并基于該模型采用蒙特卡羅模擬方法對標志器參數(shù)進行了優(yōu)化。通過仿真實驗，評估
5、了標志器參數(shù)優(yōu)化方法對視覺測量精度的影響程度，結(jié)果表明，采用優(yōu)化參數(shù)的標志器進行位姿測量，其最大綜合測量誤差可減小到非優(yōu)化參數(shù)標志器的60%。（2）針對空間變焦相機的在軌實時標定問題，提出了內(nèi)外參數(shù)分離的兩步在軌標定算法。對算法過程所需的坐標系進行了定義，并給出了相關的時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換方法；結(jié)合視覺測量與天體測量方法，建立了空間變焦相機恒星像點與歷元天球坐標系的內(nèi)參數(shù)標定算法模型；在此基礎上，推導了空間變焦相機外參數(shù)求取的線性算法，進而可實現(xiàn)外參數(shù)的優(yōu)化迭代求解。最后進行了空間變焦相機參數(shù)的標定仿真實驗，評估了恒星像點提取誤差、經(jīng)緯度與圖像采樣時間誤差，
6、以及恒星數(shù)量和焦距等因素對變焦相機參數(shù)標定的影響。其中在恒星像點提取精度為0.1像素標準差且標定用恒星數(shù)量不小于20顆時，變焦相機在焦距變化范圍內(nèi)均可達到0.005mm的焦距標定精度和優(yōu)于4個像素的主點標定精度。（3）針對如何利用空間機械臂動態(tài)特性對視覺標記成像波門進行快速處理的問題，提出了基于模型的視覺標記成像波門實時預測算法。利用空間機械臂動力學模型，采用無跡卡爾曼濾波方法，建立了空間機械臂末端執(zhí)行器的位姿預測模-I-哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文型；通過結(jié)合空間圓標志點透視投影模型和誤差分析理論，建立了空間變焦相機標志器圖像與空間機械臂末端執(zhí)行
7、器預測位姿的傳遞模型；在此基礎上，實現(xiàn)了標記成像波門的實時預測。通過仿真實驗，驗證了空間機械臂末端執(zhí)行器位姿預測過程的收斂性和波門特性，與未引入空間機械臂動態(tài)特性的傳統(tǒng)方法相比，本論文的波門預測方法標志器像點不易溢出，且不易造成波門交疊，其設置準確性高，圖像處理區(qū)域更小，有利于提高系統(tǒng)測量的實時性能。（4）對論文所提出的算法進行了實驗驗證。建立了地面實驗平臺；利用該平臺，對變焦相機的參數(shù)標定算法、視覺標志器參數(shù)優(yōu)化算法進行了實驗驗證。同時，采用優(yōu)化后的視覺標志器對合作目標與空間機械臂末端執(zhí)行器的相對位姿進行了測量。通過以上實驗，對本論文算法的可行性與
8、有效性進行了驗證，實驗結(jié)果均表明了本論文所提出算法的有效性和正確性。關鍵詞：變焦距視覺；空間機械臂；位姿測量
