摘要：针对故障卫星、失效航天器、空间碎片等空间非合作目标无先验模型,且无法直接获得其角速度及惯量参数等问题,提出一种参数化非合作目标相对位姿和惯量参数估计方法。首先,基于自由航天器姿态动力学模型,用反双曲正切函数来描述含两个独立变量的惯量参数,建立非合作目标角速度传播模型方程;基于立体视觉测量模型,建立非合作目标上若干特征点的量测方程。然后,结合Clohessy-Wiltshire方程描述的航天器间相对运动学模型,以非合作目标的相对位置、相对线速度、相对姿态、惯性角速度及惯量参数为状态量,设计扩展卡尔曼滤波器以估计各状态量。最后,进行不同场景的数值仿真验证。蒙特卡洛仿真结果表明,所设计的滤波器在不同噪声水平下能够高精度地有效估计出非合作目标的相对位姿和惯量参数。

摘要：针对传统的利用单一视觉传感器难以实现复杂非合作空间操控导航的问题,提出一种基于单目相机与无扫描三维激光雷达融合的非合作目标相对位姿估计方法。首先,设计了基于成像几何关系的单目纹理-非扫描距离图像的快速配准与融合方法;之后,在构建目标同步定位与建图(SLAM)贝叶斯滤波模型基础上,提出一种扩展卡尔曼滤波-无损卡尔曼滤波-粒子滤波联合的滤波估计算法,可实现尺度模糊下相对位姿的快速鲁棒估计;其次,针对估计中的尺度模糊问题,提出基于融合图像的全局尺度系数确定方法,将尺度系数估计问题转化为简单线性滤波问题。基于Open GL生成的2D/3D图像实验表明:所提出的方法具有较优的精度和鲁棒性;相对位置估计误差与尺度估计误差相关,二者近似成线性正比关系。

摘要：精确测量追踪航天器与目标航天器之间的相对位姿关系是成功完成航天器交会对接任务的关键。传统的位姿测量算法将旋转和平移分而视之,破坏了三维运动的统一性,同时增加了算法的复杂性和计算难度。针对这个问题,采用双目视觉测量方法,在马达代数框架内,以两个特征光点确定的特征直线为变换基元,统一描述并设计算法测量追踪与目标航天器之间的位姿关系,最终将两航天器之间的相对位姿解算问题简化为求解两个线性方程组。该方法在计算形式上更为简洁,且测量受特征光点的安装位置限制较小。仿真结果表明,算法具有较高的精度和稳定性,可以满足航天器交会对接任务的要求。

摘要：以追踪星对非合作失效卫星的超近距离巡视为背景,对基于参考轨迹的失效卫星相对位姿建模与控制进行研究。根据非合作失效卫星在空间定轴慢旋的特性,通过在失效卫星表面确定一个兴趣区域,建立便于相对位姿动力学模型设计的参考坐标系与兴趣坐标系,从而便于位置与姿态2个方面的参考轨迹指令的实时计算;基于Hill方程和姿态动力学模型,推导基于非合作目标表面参考点的近似耦合相对位姿动力学模型;在此基础上,设计相对位姿耦合控制方法,并进行Simulink仿真实验验证。仿真结果表明:基于参考轨迹推导的相对位姿动力学模型简洁有效,设计的位姿耦合控制方法使系统具有较高的控制精度,相对位置控制精度为0.1 m,相对姿态控制精度为0.15。

摘要：视觉定位技术是视觉导航和自动驾驶领域的重要组成部分。提出一种基于几何约束孪生卷积网络的相机六自由度(6 degree of freedom, 6DOF)定位方法,采用卷积网络、以学习查询图像与参考图像之间相对位姿关系的几何约束方式,获得查询图像的绝对位姿;并使用性能优异的主干特征提取网络,以及多任务联合损失函数同时训练的策略,进一步提高方法的定位精度、稳定性以及泛化能力。同时,设计了特征距离度量损失函数,增强了对于相似图像的区分性。在室内及室外公开数据集上的验证数据表明,与同类型方法相比,所提方法更具竞争力。

摘要：随着航空航天领域对飞机、火箭等大型舱段类产品的装配精度和自动化程度要求不断提高,大型舱段的对接装配模式由原来“目视人喊手工推”的人工作业模式正逐渐向自动化、数字化、智能化方向发展。针对这一问题,设计了一套基于机器视觉的自动对接系统,提出了一种基于两套单目视觉的大型舱段相对位姿测量方法。系统通过两套单目视觉独立测量舱段表面靶标位姿,结合预先标定的靶标和舱段的位置关系,对两套单目视觉测量结果进行融合解算,得到最终的舱段对接姿态,引导六自由度调姿平台实现大型舱段的自动对接。实验结果表明,该系统的测量精度优于0.04 mm,对接精度优于0.3 mm,具有较强的应用价值。

摘要：针对航空航天圆柱体套接结构舱段高精度对接的需求,提出一种基于舱段关键特征的位姿精确测量方法。首先,利用主成分分析算法初步获得舱段轴线和对接平面等关键特征的参数,再利用最小二乘法对参数进行优化矫正,以保证关键特征提取的准确性;其次,在提取到关键特征后,综合考虑关键特征对装配精度的影响,从而建立舱段数字化装配评价模型;再次,利用粒子群算法对模型进行求解,得到两舱段之间的相对位姿;最后,通过搭建舱段模拟试验场景进行验证,对接后对接平面上的特征点集在x、y、z 3个方向的绝对偏差均值分别为0.140 mm、0.157 mm、0.137 mm。经验证可知该精度满足工程应用需求。

摘要：针对非合作目标研究了一种可实时应用的超近距离相对导航方法,用相机主动获取目标飞行器图像,对图像进行预处理得到有效的边缘段信息。选取立方体卫星作为非合作目标的通用模型,用轮廓精化提取方法进行轮廓的三维重建,并给出了轮廓三维位置和姿态估计信息获取的具体步骤。建立了用四元数和相对欧拉角表示的追踪器与目标器相对姿态的轨道动力学模型,设计了基于衰减扩展卡尔曼滤波的相对导航算法。构建了一套基于运动导轨的半物理仿真系统,以验证算法的有效性和可行性。给出了仿真系统的硬件组成和软件功能。结果表明:所建仿真系统获得的相对距离10~0.5m内非合作目标相对位姿精度分别为0.03~0.15m,0.5°~1.5°,可用于非合作目标超近距离相对导航研究的相关验证;用所提方法可实现非合作目标的实时超近距离相对导航,能同时获得位姿及相关速度类导航信息,精度满足工程要求。该仿真系统在工程中有较大的应用价值。