为了实现对失稳、快旋空间非合作目标运动状态的测量, 提出一种基于单目相机序列图像的测量方法。根据目标与探测器的投影几何关系, 推导和证明了测量方法的可行性。根据空间光照环境的特点, 给出一种基于MSER特征的图像处理方法, 用于稳定提取目标在图像中的投影角。根据获得的多帧序列投影角值, 通过设定合理的多项式拟合模型, 计算非合作目标的自旋速率。最后通过在轨图像数据, 进一步验证了方法的有效性和测量精度。实验结果表明: 对于某60°/s的快旋非合作目标, 用1 Hz帧频的单目相机观测150 s, 该方法对目标的测量均值为6007°, 测量标准偏差为0.05°/s, 实现了稳定可靠、高精度的空间非合作目标运动状态测量。

针对激光位姿敏感器获得的原始点云有噪声和直接参与解算消耗星上计算资源过大问题, 给出一种适用于空间非合作目标位姿测量的点云滤波和特征提取算法。应用仿真的方法分别验证了算法滤除空间随机噪声和点云降采样的有效性, 验证了特征点对目标位姿变化和高斯测量噪声的鲁棒性。在非合作目标绕飞、抵近、捕获全物理试验平台上, 以扫描激光位姿敏感器获得的原始点云数据为输入, 验证了算法在实际空间目标位姿测量中的性能。试验结果表明, 该算法实现了原始点云93.1%的降采样, 节省了92.9%的位姿解算时间, 可有效提升星上数据处理的效率和姿态解算的实时性。

A monocular vision-based pose measurement system is provided for real-time measurement of a three-degree-of-freedom (3-DOF) air-bearing test-bed. Firstly, a circular plane cooperative target is designed. An image of a target fixed on the test-bed is then acquired. Blob analysis-based image processing is used to detect the object circles on the target. A fast algorithm (FCCSP) based on pixel statistics is proposed to extract the centers of object circles. Finally, pose measurements can be obtained when combined with the centers and the coordinate transformation relation. Experiments show that the proposed method is fast, accurate, and robust enough to satisfy the requirement of the pose measurement.

为了通过视觉测量的方法实现小型空间机器人协同位姿的求解, 设计了基于单目视觉的协同位姿测量系统。针对复杂的太空工作条件, 设计了作用范围广、精度高且稳健性强的合作靶标; 设计了利用图像梯度法提取单像素边缘的算法, 并通过中心匹配等约束完成了靶标识别; 推导了特征点距离与位姿测量精度的关系, 在此基础上提出了基于分区处理的特征点提取策略, 实现了复杂条件下特征点的分区提取和准确编号, 并扩展了工作距离, 改善了位姿求解精度。实验结果表明, 针对640 pixel×480 pixel图片, 在Matlab环境下处理速度约为84.3 ms/frame, 在2.2 m距离范围内位姿测量误差在5 mm、1°以内。设计的单目视觉位姿测量系统满足小型空间机器人协同工作的任务需求。

为了实现气浮实验台位姿的实时确定, 提出了一种基于单目视觉的位姿测量方法。首先, 设计了一种具有旋转、平移、缩放不变性且易于探测的圆形合作靶标; 其次, 结合靶标尺寸、形状以及安装位置, 基于Blob分析快速识别合作靶标, 保证了定位点提取的准确性; 然后, 提出一种在待识别区域内进行“行、列”扫描统计的靶标圆心测量算法, 实现靶标圆心的快速、鲁棒提取; 最后, 结合计算机坐标系下的圆心位置以及视觉测量系统中坐标变换关系, 解算气浮实验台的实际位姿。实验结果表明: 该方法测量位姿精度较高, 抗噪能力强, 在处理1 600 pixel×1 600 pixel图片的情况下, 平均测量周期为53.086 ms(约19帧/s), 能够实现对气浮实验台位姿实时、精确、鲁棒的测量。

低对比度动态目标捕获能力是衡量光电跟踪设备总体性能的重要内容之一。针对光电跟踪设备低对比度动态目标捕获能力室内检验方法欠缺、低对比度动态目标捕获原理尚不完善等问题，提出了实验室内光电跟踪设备对低对比度动态目标捕获能力的检验。检验采用可调对比度无穷远目标源装置和可调速转台，为被检仪器提供可准确度量对比度的光学基准目标和可准确测量速度的动态环境，根据被检设备对该动态目标的提取情况，验证光电跟踪设备的捕获能力。通过分析目标移动速度、目标大小对目标对比度的影响，评价光电跟踪设备在不同目标对比度和不同速度下的捕获性能。检验结果表明，在背景辐亮度为38 W/(sr·m2)的情况下，当直径为4 mm目标以7.45°/s以上速度从无穷远处进入某光电跟踪设备的视场时，该光电跟踪设备不能进行有效地捕获。检验结果通过光电跟踪设备对给定对比度动态目标的捕获情况来评价其整机捕获能力。