基于多點合作目標(biāo)的多線陣CCD空間物體姿態(tài)測量的研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,空間物體的姿態(tài)測量在航空、航天、航海、軍事等不同領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,隨之在不同的應(yīng)用領(lǐng)域也出現(xiàn)了不同的測量方法。在測量處于懸浮狀態(tài)下的空間運動物體的姿態(tài)時,目前現(xiàn)有的通用姿態(tài)測量方法由于系統(tǒng)復(fù)雜,成本高,圖像傳感器分辨力低、速度慢等缺點不適合對這種懸浮狀態(tài)下姿態(tài)快速變換的空間物體的姿態(tài)參數(shù)進行精確測量。因此,研究一種更加適合懸浮狀態(tài)下空間物體的姿態(tài)測量方法勢在必行。
　　課題“基于多點合作目標(biāo)的多線陣CC

2、D空間物體姿態(tài)測量的研究”的目的是對處于懸浮狀態(tài)下姿態(tài)快速變換的空間運動物體的姿態(tài)測量進行深入的研究,探討研究一種結(jié)構(gòu)更加簡單同時測量性能更高的外姿態(tài)測量系統(tǒng),建立有效的姿態(tài)解算模型,以及探討提高線陣CCD相機校準(zhǔn)精度的方法,為高精度的姿態(tài)測量提供理論依據(jù)。本課題的研究應(yīng)用于對空間物體姿態(tài)測量的懸浮試驗,并可對空間物體內(nèi)部裝有慣導(dǎo)設(shè)備的內(nèi)姿態(tài)測量方法進行校驗,在國內(nèi)的三維運動測量中也有廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文首先給出了基于線陣C

3、CD的外姿態(tài)測量系統(tǒng)的基本工作原理,并簡單地介紹了傳統(tǒng)的線陣CCD外姿態(tài)測量系統(tǒng),分析了傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)由于采用六個相機九個線陣CCD使得系統(tǒng)過于復(fù)雜,且這些相機位置間的關(guān)系約束條件太多造成非線性等系統(tǒng)誤差,測量的均勻性差,校準(zhǔn)參數(shù)個數(shù)相應(yīng)增加等問題。從這些問題入手,研究了一種采用三個線陣CCD相機同時測多個點合作目標(biāo)的外姿態(tài)測量系統(tǒng),將被測物體的點合作目標(biāo)同時點亮,由柱面透鏡和線陣CCD組成的三個一維相機對其同時進行測量,并分析了三個線

4、陣CCD相機的布局對測量空間的影響,同時提出了一種通過模擬計算的方法對姿態(tài)角范圍限制進行計算,為進行姿態(tài)測量提供了理論指導(dǎo)。
　　為了提高姿態(tài)參數(shù)的解算速度和精度,進一步可以提高系統(tǒng)的實時性,對各種姿態(tài)描述方法進行了分析,并合理地選擇了Rodrigues參數(shù)姿態(tài)描述方法,結(jié)合本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,提出了基于 Rodrigues參數(shù)和多點合作目標(biāo)構(gòu)成的線段間的相交矢量相結(jié)合的姿態(tài)解算模型,并根據(jù)四組 Rodrigues參數(shù)的模不同時為無

5、窮大的原理對其進行切換,解決了方法奇異性的問題,建立基于Rodrigues參數(shù)的姿態(tài)解算模型對空間目標(biāo)進行姿態(tài)解算。同時分析了空間點的測量位置誤差對姿態(tài)解算結(jié)果的影響,研究了不同的姿態(tài)解算方法對空間點位置誤差的敏感程度。
　　為了提高線陣CCD相機姿態(tài)測量系統(tǒng)校準(zhǔn)的精度,提出了基于 BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)線陣CCD相機的方法。解決了采用直接線性變換法校準(zhǔn)相機時忽略的鏡頭畸變和系統(tǒng)誤差等非線性誤差的問題

6、,不需要建立復(fù)雜的非線性補償模型,簡化了計算。充分利用了 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)從輸入到輸出的任意非線性映射的特點,通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)三維空間物體標(biāo)識點與其在線陣CCD像點之間的非線性映射關(guān)系,實現(xiàn)外姿態(tài)測量系統(tǒng)線陣CCD相機的校準(zhǔn),直接恢復(fù)空間點合作目標(biāo)的三維信息。
　　最后對課題所提出的方法和模型進行了實驗驗證。首先,對所提出的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)線陣CCD相機的方法進行了實驗驗證。實驗表明:使用全站儀測量點合作目標(biāo)的三維坐標(biāo)時,采用