面向在軌服務(wù)的航天器視覺(jué)導(dǎo)航與跟蹤控制方法.pdf

1、在軌服務(wù)是增強(qiáng)航天器性能、延長(zhǎng)航天器壽命、降低費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)、減少?gòu)U舊航天器數(shù)量等的有效手段，針對(duì)被服務(wù)航天器的跟蹤、交會(huì)及?？康冉咏倏厥欠?wù)航天器需要具備的基本功能，自主精確地獲取被服務(wù)航天器的相對(duì)狀態(tài)信息則是實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)接近操控任務(wù)的前提條件。本論文在國(guó)家國(guó)防科工局民用航天“十二五”預(yù)研項(xiàng)目“×××在軌維護(hù)與服務(wù)技術(shù)研究”和中國(guó)航天科技集團(tuán)公司預(yù)研項(xiàng)目“×××在軌服務(wù)技術(shù)”等項(xiàng)目的資助下，面向非合作空間目標(biāo)精準(zhǔn)操控任務(wù)，圍繞基于單目視覺(jué)

2、的高精度相對(duì)位姿測(cè)量和目標(biāo)跟蹤控制等諸問(wèn)題進(jìn)行深入理論研究，取得了如下創(chuàng)新性研究成果：
　　基于目標(biāo)圖像的相對(duì)位姿解算算法是視覺(jué)敏感器的核心，針對(duì)利用被服務(wù)航天器自然特征導(dǎo)致的圖像特征提取和匹配粗大誤差問(wèn)題，基于逆投影思想，給出了一種包含景深估計(jì)和絕對(duì)方位解算的兩階段迭代算法。該算法中景深變量的引入解決了由小孔成像投影所引起的非線性問(wèn)題，確保了算法的全局收斂性；同時(shí)，在絕對(duì)方位解算階段，通過(guò)對(duì)姿態(tài)矩陣非凸約束進(jìn)行凸松弛，將目標(biāo)函數(shù)

3、最小化轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)MI約束下的最值求解問(wèn)題，并利用內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行最優(yōu)求解，保證了迭代算法的全局收斂性，提高了算法的魯棒性和快速性，并利用全局性收斂性定理證明了其全局收斂性。最后，以在軌服務(wù)航天器接近操控任務(wù)為背景對(duì)該算法進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真，結(jié)果表明在特征點(diǎn)提取存在誤差影響情況下，算法具有較快的計(jì)算速度和良好的收斂性。
　　針對(duì)單目視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)面臨的視線軸方向深度信息缺乏以及輸出頻率受限等問(wèn)題，考慮與慣導(dǎo)設(shè)備在輸出頻率以及頻域內(nèi)誤差特性的互補(bǔ)性

4、，分別在時(shí)域與頻域內(nèi)設(shè)計(jì)了視覺(jué)/IMU組合的多速率卡爾曼濾波和互補(bǔ)濾波算法。其中，多速率卡爾曼濾波器是以慣導(dǎo)傳感器采樣周圍為濾波周期，依據(jù)有無(wú)視覺(jué)信息決定在濾波時(shí)刻進(jìn)行時(shí)間更新或者量測(cè)更新，并利用量測(cè)信息對(duì)量測(cè)噪聲陣和狀態(tài)協(xié)方差陣進(jìn)行后驗(yàn)修正的一種估計(jì)方法，該濾波器能夠有效提高組合導(dǎo)航濾波器的數(shù)據(jù)更新頻率，改善濾波算法的性能；依據(jù)視覺(jué)與慣導(dǎo)頻域內(nèi)的不同噪聲特性，設(shè)計(jì)了一種互補(bǔ)濾波器，理論分析了互補(bǔ)濾波器的穩(wěn)定性，數(shù)學(xué)仿真表明互補(bǔ)濾波器能

5、夠有效實(shí)現(xiàn)視覺(jué)與慣導(dǎo)頻率上的互補(bǔ)，并能夠用于狀態(tài)快速變化過(guò)程中的狀態(tài)估計(jì)。最后，構(gòu)建了視覺(jué)/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)的參數(shù)化CRLB模型，分析了視覺(jué)與IMU相關(guān)參數(shù)對(duì)導(dǎo)航精度的影響，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。
　　在軌接近操作中，將被服務(wù)航天器高精度穩(wěn)定在視覺(jué)相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)是服務(wù)航天器的基本功能之一。為此，將空間目標(biāo)像平面誤差引入跟蹤控制閉環(huán)，提出了一種增益切換的空間目標(biāo)跟蹤PD控制律，由于直接使用目標(biāo)在相平面中的視覺(jué)特征誤差量，

6、避免了視覺(jué)相機(jī)內(nèi)參數(shù)標(biāo)定和空間目標(biāo)位姿信息求解等過(guò)程，簡(jiǎn)化了服務(wù)航天器系統(tǒng)配置。該算法通過(guò)引入開關(guān)函數(shù)對(duì)PD增益進(jìn)行切換，提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及抗干擾性能。給出了控制器參數(shù)的估算方法，理論分析了增益切換PD控制律的收斂性。數(shù)學(xué)仿真表明能夠?qū)o止目標(biāo)、復(fù)雜機(jī)動(dòng)目標(biāo)以及考慮服務(wù)航天器典型不確定性因素等情況進(jìn)行快速跟蹤，驗(yàn)證了視覺(jué)跟蹤控制策略的有效性，以及對(duì)多類型不確定性的魯棒性。
　　基于氣浮原理的航天器運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)能夠有效模擬在外層空