空间目标激光驱动实验装置跟瞄及视觉定位系统研究

论文摘要

随着人类航天活动日益频繁,空间碎片的数量急剧增加,对航天器和航天员的安全造成了巨大威胁,需要对碎片进行人工清除。其中“激光移除碎片”技术具有作用距离远、范围大,可重复使用等诸多优势,被认为是清除直径在110mm之间碎片最有效的措施。目前基于此技术的方案还处在理论分析与建立碎片动力学响应模型的阶段。研制具备空间目标跟瞄、定位、激光烧蚀功能的“空间目标激光驱动实验装置”是对激光烧蚀驱动碎片动力学响应模型进行实验分析与验证的关键。本主围绕实验装置的跟瞄和视觉定位两个子系统及其关键技术展开研究。旨在建立基于单目视觉的运动目标跟瞄系统控制模型和目标位姿解算模型,以实现对正方体目标的动态跟踪瞄准和空间位姿计算。本文对跟瞄系统的整体方案和控制系统结构进行设计,为了满足跟瞄的低延时要求,图像处理模块与伺服控制模块之间采用实时通信方式;由于设备的应用环境是背景可以控制的室内环境,因此采用能自适应进行阈值分割的大津法来分割图像、识别目标,获得目标相对于转台的位置信息;建立了跟瞄伺服驱动系统的数学模型,将模糊控制与PID控制相结合完成了位置环PD参数的模糊整定,并利用simulink进行仿真。仿真结果表明,经过模糊整定的位置跟踪控制器对阶跃信号的响应与未经过模糊整定的控制器相比,有更小的超调量和更短的响应时间,对时变的正弦信号也有较好的跟踪效果。在视觉定位系统中,建立了相机成像的数学模型,并通过Zhang标定法对模型参数进行了标定,建立了空间一点与其像点之间的数学对应关系。对单目视觉定位中的角点和圆形中心两种特征点进行了对比,得出圆形中心的识别稳定性更好、定位精度更高的结论,为了解决多个圆形成像时圆形之间无法分辨的问题,结合Marker码对正方体目标表面图案进行设计,实现了对目标不同表面和同一表面不同圆形中心的稳定识别。采用基于单张图像、共面特征点的单目视觉定位方法进行位姿解算,并用Levenberg-Marquardt方法对位姿解算结果的重投影误差进行迭代优化,将优化后的位置和姿态作为最终计算结果,通过仿真验证了方法的可行性。通过实验对跟瞄系统的跟踪性能和视觉定位系统的定位精度进行了验证。实验结果表明,跟瞄系统的稳态跟踪精度满足要求,动态性能良好。视觉定位系统在目标表面与相机成像平面的RX和RY角度值的绝对值均小于5°时会出现位姿的跳变,对这种“模糊现象”出现的原因进行了分析;其他姿态下定位精度满足要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题的来源与背景
•     1.1.1 课题的来源
•     1.1.2 课题研究的背景和意义
•   1.2 国内外在该方向的研究现状
•     1.2.1 基于图像识别的运动目标跟瞄研究现状
•     1.2.2 单目视觉定位研究现状
•     1.2.3 国内外文献综述简析
•   1.3 主要研究内容
• 第2章 基于图像识别的运动目标跟瞄系统研究
•   2.1 跟瞄系统总体方案设计
•   2.2 运动目标识别与定位
•   2.3 位置跟踪控制器设计
•     2.3.1 模糊控制基本原理
•     2.3.2 伺服驱动系统数学模型的建立
•     2.3.3 位置控制器参数的模糊自整定
•     2.3.4 位置跟踪控制器仿真分析
•   2.4 本章小结
• 第3章 基于单目视觉的目标定位
•   3.1 相机成像模型和相机标定
•     3.1.1 相机成像的线性和非线性模型
•     3.1.2 相机标定
•   3.2 对比特征点确定目标表面图案
•     3.2.1 Harris角点和圆形中心对比
•     3.2.2 Marker码及其检测过程
•     3.2.3 目标表面图案设计及识别过程
•   3.3 单目视觉目标定位
•     3.3.1 目标位姿计算
•     3.3.2 用Levenberg-Marquardt方法进行优化
•     3.3.3 仿真验证视觉定位计算方法的正确性
•   3.4 本章小结
• 第4章 相机标定及系统性能验证实验
•   4.1 相机标定实验
•   4.2 运动目标跟瞄实验
•   4.3 单目视觉目标定位实验及其精度分析
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘春蒙

导师: 富宏亚

关键词: 运动目标,跟踪瞄准,模糊控制,单目视觉,特征点

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 物理学,安全科学与灾害防治,航空航天科学与工程,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: V528;TP391.41;TN24

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002178

总页数: 64

文件大小: 2006K

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