基于空間非合作目標(biāo)微雙目視覺(jué)導(dǎo)航敏感器的研制.pdf

1、目前，基于空間非合作目標(biāo)的在軌服務(wù)技術(shù)在航天器在軌維修、空間碎片清理及空間攻防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在非合作目標(biāo)航天器或空間碎片的逼近階段，基于立體視覺(jué)位姿測(cè)量技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。本論文以小型化、低功耗為目標(biāo)，展開(kāi)了微雙目立體視覺(jué)硬件系統(tǒng)及相關(guān)圖像處理算法的研究工作。
　　首先提出了基于雙FPGA+DSP的微雙目立體視覺(jué)的硬件實(shí)現(xiàn)方案。采用美國(guó)Digilent公司的微雙目單板VmodCAM作為前端圖像采集單元，兩片F(xiàn)PGA分別控制一

2、路圖像采集通道，通過(guò)改進(jìn)的Canny算子實(shí)現(xiàn)了對(duì)非合作目標(biāo)航天器的邊緣檢測(cè)，DSP中實(shí)現(xiàn)了基于Hough變換的直線檢測(cè)與識(shí)別。
　　其次，根據(jù)小型化、低功耗的指標(biāo)要求，合理選取了微雙目立體視覺(jué)敏感器的關(guān)鍵器件并完成了整體硬件電路設(shè)計(jì)。FPGA選取基于Flash結(jié)構(gòu)的低功耗、高速A3PE1500-FG676處理器，DSP選取TI公司高速TMS320C6416T處理器，并對(duì)二者的功耗進(jìn)行了預(yù)估；對(duì)比分析了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM與SDR

3、AM在不用模式下的電流值，通過(guò)軟件優(yōu)化的方式降低了二者的功耗；選取轉(zhuǎn)換效率高、占用面積小的開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓模塊作為供電電路；完成了FPGA與DSP最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及外部數(shù)據(jù)、程序存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)等。
　　再次，在軟件設(shè)計(jì)上，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)流向，合理地將FPGA邏輯劃分為圖像采集模塊、基于改進(jìn)的Canny算子的邊緣檢測(cè)模塊、圖像以及邊緣坐標(biāo)點(diǎn)存儲(chǔ)模塊等。同時(shí)，對(duì)DSP中基于Hough變換的直線提取過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化處理，通過(guò)合理分區(qū)和前幀反

4、饋兩種方法減少了直線檢測(cè)的數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新率。
　　最后，通過(guò)采集一個(gè)復(fù)雜邊緣的方盒的圖像，驗(yàn)證了FPGA中邊緣檢測(cè)效果。通過(guò)采集非合作目標(biāo)航天器的圖像，驗(yàn)證了DSP中Hough變換直線檢測(cè)與識(shí)別的效果。通過(guò)模擬空間環(huán)境中追蹤航天器與目標(biāo)航天器的逼近實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的工作性能，系統(tǒng)的平均數(shù)據(jù)更新率不小于6Hz，連續(xù)工作時(shí)，功耗不大于4W。此外，整個(gè)微雙目硬件系統(tǒng)平臺(tái)大小尺寸僅為106mm×106mm×26mm(長(zhǎng)×寬