空间红外望远镜的成像质量依赖着低温深冷的环境。在这种环境下，对反射镜的结构及其支撑结构都提出了严格的要求。介绍了当前国内外望远镜的被动支撑结构(如bipod、hexapod和whiffle-tree结构)，然后对国内外望远镜的主动支撑结构形式和促动器的原理进行了分析说明。通过对国内外望远镜主、被动支撑结构的分析，对二者进行了对比，并指出了它们的优缺点以及各自适用的领域。提出了两种实现无热化支撑结构的方法：对于拼接式望远镜，采用whiffle-tree结构和促动器的组合支撑形式；对于单块式望远镜，采用whiffle-tree结构和A-frame结构并搭配促动器的支撑形式。

针对传统的蒙特卡洛法求解机器人工作空间时精确度不够的问题, 提出了一种改进的蒙特卡洛法。用传统的蒙特卡洛法生成一个种子工作空间, 基于标准差动态可调的正态分布对种子工作空间进行扩展。在扩展过程中设定一个精度阈值, 确保得到的工作空间中每个位置都能被准确的描述。基于得到的工作空间, 提出了一种体元化算法求取工作空间的体积, 寻找到工作空间的边界部分和非边界部分, 通过对边界部分的不断细化, 降低了体积求取误差。为了验证算法的有效性和实用性, 以九自由度的超冗余串联机械臂为例, 对本文改进的蒙特卡洛法和提出的体积求取算法进行仿真分析。结果表明: 采样点数量相同时, 改进的蒙特卡洛法生成的工作空间边界光滑, “噪声小”; 得到精确的工作空间时改进方法需要的采样点数仅是传统方法的4.67%; 体积求取算法效率较高, 相对误差小于1%; 求得的工作空间体积可用于评估机械臂性能, 为后续机械臂构型优化奠定了理论基础。

针对大型光机结构的结构特性，为抑制宽频噪声对结构指向稳定度及精度的影响，设计了一种可以在全频段提供高阻尼低轴向刚度的液体阻尼器。首先，对液体阻尼器的参数设计理论进行了分析; 其次，通过微振动一体化集成仿真分析了引入液体阻尼器对整机的影响，由分析结果可知，在内外框架之间安装阻尼器，可以达到抑制宽频噪声的目的，一般情况下光轴指向精度（Line of Sight）可以改善50%以上，同时对结构特性改变较小; 最后，设计了测试系统，对阻尼器参数的特性进行了实验研究，可知该液体阻尼器的阻尼系数随频率升高降低，在低频时可以达到18 574 N·s/m， 300 Hz时阻尼系数在300 N·s/m以上，轴向刚度约为28 659 N/m，随频率变化基本保持不变。结果表明: 试验测试结果与仿真结果相符，液体阻尼器的刚度及阻尼参数的设计都达到了技术要求，根据仿真与试验的分析验证了阻尼器对大型光机结构振动抑制的有效性。

为了改善反射镜在环境温度波动情况下的面形精度下降问题, 设计了一种联杆型双轴Bipod柔性支撑结构, 并基于柔度理论对它进行了参量优化。首先, 对支撑结构的柔度进行了分析和计算, 推导出柔性支腿以及反射镜组件的柔度理论公式。然后, 以保证反射镜轴向支撑刚度和卸载能力为目的, 计算得到一组针对口径为200 mm反射镜的柔性支撑结构尺寸参数。最后, 通过有限元分析和振动试验, 对支撑结构的柔度公式、动态特性、温度适应性进行了分析验证。分析结果显示, 在一定作用力下, 柔性支腿的理论值与有限元分析值的误差在10％以内; 振动试验得到组件的一阶频率为358.5 Hz, 与理论计算值的相对误差为8.8％; 在20 ℃温差下, 反射镜面形精度为7.7 nm(rms)。试验结果验证了理论模型的有效性, 同时说明Bipod柔性支撑结构能够降低温度波动对反射镜面形的影响。

针对空间引力波望远镜皮米量级的极高光程稳定性需求, 对系统中主镜组件进行了优化设计。采用微晶玻璃(Zerodur)作为反射镜材料, 支撑结构材料为铟钢(4J36)。首先, 通过对反射镜参数的优化, 使其在保证面形精度的同时镜体轻量化率达到了72%。然后, 设计了一种双轴联杆型Bipod柔性反射镜支撑结构, 并采用了侧面三点支撑的形式。以保证有效的支撑刚度及卸载效果为目的, 建立了柔性铰链的数学模型, 并基于Matlab对其尺寸参数进行了优化。最后, 对优化设计后主镜组件进行了模态分析及振动试验, 并完成了在轨分析与波前质量计算。结果显示, 主镜组件的一阶固有频率为373 Hz, 与试验结果的相对误差为3.5％; 在轨环境下主镜面形精度达到8.9 nm(RMS); 波前精度为?姿/5(?姿=1 064 nm)。表明该反射镜组件满足设计指标要求。

基于图像对的立体重建是用于获取人脸三维信息的通用方法, 但根据图像数据和重建算法所得到的三维重建结果存在各种误差, 本文对通用形变模型进行改进并与三维立体重建融合以得到更精确的重建结果。首先使用Max-Margin对象检测算法来获取面部边界框, 其中回归树集合法能直接从像素强度的稀疏子集识别面部特征点。然后通过PCA颜色模型生成形状和颜色的三维面部统计模型, 利用ISOMAP算法将三维网格转换为二维表面并提取纹理信息, 得到面部模型。最后在源网格上进行两步非刚性表面配准的变形过程: 先通过对源网格进行二次采样来选择少量网格点来表示源的全局变化, 并选取径向基函数(RBF)进行非刚性全局变形; 再对源顶点进行Procrustes分析获得非刚性变换, 再通过加权方案来进行k-近邻变换, 得到平滑的局部变形。将单图像重建的面部模型, 立体重建的面部模型和本文的面部变形模型与高质量扫描云图进行对齐比较, 得到面部变形模型的3个RMS值分别为2.795 2, 2.102 8和2.153 4, 相比于其他模型, 面部变形模型更接近高质量扫描云图, 即与原图像一致性更高, 误差更小。面部变形模型的定性和定量分析表明, 立体重建与人脸一般形状信息的组合在几何信息的表达上优于基于通用模型的单个图像重建以及未考虑通用模型的立体重建。

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。

为了精确地反映相机的几何成像关系, 本文基于简化的Brown模型和改进的BFGS （Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno）算法提出了一种相机自标定方法。该方法首先将线性模型 和畸变模型拟合为非线性模型, 通过线性模型的基本矩阵约束非线性模型参数得到约束方 程; 然后, 提出了适用于非线性内参数约束方程的基于新拟牛顿方程的改进 BFGS 算法并求解了方程内参数。利用提出的模型和算法, 该标定方法能够在较少的迭代次数和有噪声条件下保证标定结果的精度和鲁棒性。有、无噪声情况下的收敛性分析和鲁棒性分析显示: 在噪声不大于±3 pixel 的情况下, 迭代10次即能保证重投影误差小于0.4 pixel。通过标定相机内参数并计算重投影误差进行了真实图像实验, 结果表明: 标定精度误差小于0.06%, 重投影误差为0.35 pixel, 验证了提出方法的有效性。 该方法适用于计算机视觉领域中的图像处理, 模式分类和场景分析等。