非合作航天器单目视觉快速位姿确定算法研究_杨琳雪
硕士学位论文 非合作航天器单目视觉快速位姿确定 算法研究Approach to Fast
Relative Position and Attitude Determination Based on Mono-Vision for Non-cooperative Spacecrafts 杨琳雪 哈尔滨工业大学 2010 年 7 月国内图书分类
号:TP273 学校代码:10213国际图书分类号: 681.52 密级:公开 工学硕士学位论
文 非合作航天器间单目视觉快速位姿确定 算法研究 硕 士 研 究 生 : 杨琳雪
导 师 : 段广仁 教授 副 导 师 宋申民 教授 申 请 学 位 : 工学硕士 学 科 、
专 业 : 控制科学与工程 所 在 单 位 : 控制理论与制导技术研究中心 答 辩 日
期 : 2010 年 7 月 授予学位单位 : 哈尔滨工业大学Classified Index:TP273U.D.C.:
681.52 Dissertation for the Master Degree in EngineeringApproach to Fast Relative Position and Attitude Determination Based on Mono-Vision for Non-cooperative Spacecrafts Candidate: Yang Linxue Supervisor: Prof. Duan Guangren Deputy Supervisor: Prof. Song Shenming Academic Degree Applied for: Master of Engineering Specialty: Control Science and Engineering Center for Control Theory and Affiliation: Guidance Technology Date of Defence: July 2010 Degree-Conferring-Institution:
Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 非合作视觉测量
是空间在轨服务及空间攻防的重要研究课题，而单目视觉的图像处理及位姿解算方
法又是非合作视觉测量的关键性技术。本论文以某“863”合作项目中的子课题“××××
快速位姿捕获方法研究”为研究背景，在系统总结这一领域研究现状的基础上，基于
快速性、鲁棒性的要求，针对非合作航天器间单目视觉测量算法的原理与实现进行
了深入的研究。 本文主要研究工作着重于两大方面:一方面是寻找和验证快速可行
的视觉图像角点检测算子;另一方面是提出单目视觉快速位姿确定算法。 首先，对
角点检测技术进行了系统的描述和研究。基于实际应用需求，从角点检测的快速性、
准确性、鲁棒性等要求出发，着重对 SUSAN 算子及 Harris 算子的改进进行了探
索，快速的、较准确的角点检测使用这种直接基于图像模板的方法完全可以满足需
要。 其次，针对单目视觉位姿测量问题，给出了三种算法。其中相似迭代算法与两
阶段法有很大的相同之处，它们都是通过求取景深值与绝对方位求解来获得最终的
结果，都是分为两个步骤进行循环迭代，但它们也有一个共同的缺点，就是算法对
运算初值的选取具有依赖性，如果初值选取的不恰当，将导致最终运算结果发散。
基于 RANSAC 的单目视觉相对位姿导航参数确定算法能有效的剔除特征点提取 及物像匹配的粗大误差和错误匹配误差，最终估计采用的是 POSIT 算法，其快速
性得到良好的改善，且对运算初值不具有依赖性，运算的精度更高。 最后，提出了
一种基于随机化 RANSAC 单目视觉位姿估计算法，通过仿真实验可以看出，随机
化 RANSAC 单目视觉相对位姿导航参数确定算法能有效的剔除特征点提取及物 像匹配的粗大误差和错误匹配误差，同时，算法的快速性也得到了有效的证实。利
用单目视觉实时获得的单幅图像由该算法可以得到足够精确的非合作目标航天器相
对位姿参数，在高粗大噪声影响情况下，相对位置确定精度lt2，相对姿态确定精度
lt0.01?。该算法无论在硬件条件还是实时计算方面来说要求都不苛刻，满足非合作
单目视觉导航应用要求的高鲁棒性和快速性，因此可作为非合作目标星快速位姿确
定的一种有效的方法。关键词:非合作;单目视觉;角点检测;位姿测量 -I- 哈尔
非合作航天器单目视觉快速位姿确定算法研究_杨琳雪
