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基于霍夫变换的空间非合作目标点云配准算法

北京航空航天大学学报 2023年第8期49卷 2071-2078页

作者：石峰源郑循江姜丽辉潘迪刘轩上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对空间非合作目标点云配准过程中目标残缺、机动过快等问题,对飞行时间深度(TOF)相机点云配准过程进行研究。利用相机可同时获取灰度与深度图的特点,提出一种基于霍夫变换的点云配准算法,在提供精确初始位姿的同时,也加速了最近点搜... 详细信息

针对空间非合作目标点云配准过程中目标残缺、机动过快等问题,对飞行时间深度(TOF)相机点云配准过程进行研究。利用相机可同时获取灰度与深度图的特点,提出一种基于霍夫变换的点云配准算法,在提供精确初始位姿的同时,也加速了最近点搜索过程。对TOF相机摄得灰度图进行边缘检测,利用边缘点以随机霍夫变换的方法拟合椭圆中心,使待配准点云与参考点云中心配准。随后检测图像几何特征,与对应参考点特征相配,提高初始位姿精度,既避免所提算法陷入局部最小,也可解决目标点云缺失无法配准的难题。在最近点搜索过程中,引入kd-tree改进算法,以3σ准则剔除单次k邻近的离群点,提高了相机动态性能。以某实拍卫星模型对所提算法进行仿真分析,成功验证了其对于残缺目标配准的可行性与鲁棒性。同时,在完整与残缺点云目标下,所提算法较于常规霍夫变换法相比分别提速955.3%和440.4%,且精度相当,具有较为广泛的应用前景。

关键词：空间非合作目标点云配准 TOF相机霍夫变换残缺目标

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高动态条件下星斑模拟与星点提取方法

光子学报 2022年第3期51卷 135-145页

作者：潘迪周琦刘轩刘冰方慧上海航天控制技术研究所上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

提出了一种高动态条件下星斑模拟及星点目标提取方法。首先,基于黑体辐射建立星点静态像斑模型;其次,基于星体模糊模型和Bresenham直线生成算法生成动态星点像斑模板;再次,利用生成的模板和相关模板匹配法在星跟踪波门内实现星体目标粗... 详细信息

提出了一种高动态条件下星斑模拟及星点目标提取方法。首先,基于黑体辐射建立星点静态像斑模型;其次,基于星体模糊模型和Bresenham直线生成算法生成动态星点像斑模板;再次,利用生成的模板和相关模板匹配法在星跟踪波门内实现星体目标粗定位并进行伪星点剔除;最后,利用质心法在粗定位区域提取星点质心。实验结果表明,该方法能够适应各种长度的曝光时间,并实现星敏感器在3°/s条件下的稳定跟踪。在曝光时间50ms,角速度3°/s的条件下,星对角距误差为10",平均提取率为97%,与传统方法相比,分别提高了78.4%和36.6%。

关键词：星敏感器高动态星点拖尾直线生成星点提取模板匹配

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星敏感器热稳定性的试验分析方法

中国激光 2020年第4期47卷 196-201页

作者：金荷翟正一杜伟峰吴永康高原上海航天控制技术研究所上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

星敏感器作为高精度姿态测量仪器,在轨工作时易受热环境的影响。针对仿真分析难以精确建立星敏感器光-机-热模型的问题,提出了一种星敏感器热稳定性试验分析方法,通过加热真空罐中的安装面和遮光罩来模拟星敏感器的在轨热环境,利用静态... 详细信息

星敏感器作为高精度姿态测量仪器,在轨工作时易受热环境的影响。针对仿真分析难以精确建立星敏感器光-机-热模型的问题,提出了一种星敏感器热稳定性试验分析方法,通过加热真空罐中的安装面和遮光罩来模拟星敏感器的在轨热环境,利用静态光星模拟器模拟星空,通过观察星敏感器输出姿态的变化评价星敏感器的三轴热稳定性。试验过程中通过自准直仪对安装面棱镜的测量值剥离安装面热变形对姿态测量的影响,经过分析后可知误差在4.5%以内。对某型号高精度星敏感器进行试验,结果表明:当遮光罩温度由27.3℃升至110.6℃时,星敏感器光轴绕x轴的偏移量为2.9″,绕y轴的偏移量为1.2″,绕z轴的偏移量为2.6″;当星敏感器安装支架控温精度为(20±0.3)℃时,星敏感器光轴的偏移量为±0.18″,满足高精度星敏感器的热稳定性指标。

关键词：测量热稳定试验棱镜自准直静态光星模热变形

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短波红外相机实时坏像元检测与补偿方法

光子学报 2022年第9期51卷 301-312页

作者：宋雪冬马英超周琦练达余路伟毛晓楠上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

太空辐照环境和高能粒子往往会导致红外相机在轨运行时出现新的坏像元,严重影响相机提取的星点目标质心坐标的精度。针对该问题,提出了一种基于灰度梯度和稀疏视野的实时坏像元检测与补偿方法。该方法采用5×5大小的处理窗口以滑窗的形... 详细信息

太空辐照环境和高能粒子往往会导致红外相机在轨运行时出现新的坏像元,严重影响相机提取的星点目标质心坐标的精度。针对该问题,提出了一种基于灰度梯度和稀疏视野的实时坏像元检测与补偿方法。该方法采用5×5大小的处理窗口以滑窗的形式基于灰度梯度值进行检测,并采用稀疏视野有效避免了领域坏像元对检测与补偿结果的影响。实验证明,红外图像中处于不同灰度值背景中的坏像元均能准确检测出并补偿,显著提升了检测准确率。补偿后的星点目标质心坐标提取误差减小至0.2%以内。同时,该方法对数据存储空间要求低,数据处理过程计算量小,适合随图像数据流处理,具有较好的实时性。

关键词：图像处理短波红外相机坏像元实时检测与补偿灰度梯度稀疏视野

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电动力绳系离轨系统电流与拉力混合展开控制

航空学报 2018年第2期39卷 204-213页

作者：黄静刘刚朱东方孙禄君上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

电动力绳系离轨系统是一种典型的空间碎片主动消除技术,本文针对电动力绳离轨系统在初始阶段展开的控制问题,仅通过调节有限的系绳张力与电流,不依赖其他推进器,将导电系绳释放至期望长度并抑制系绳的摆动。首先,采用倾斜偶极子地磁场模... 详细信息

电动力绳系离轨系统是一种典型的空间碎片主动消除技术,本文针对电动力绳离轨系统在初始阶段展开的控制问题,仅通过调节有限的系绳张力与电流,不依赖其他推进器,将导电系绳释放至期望长度并抑制系绳的摆动。首先,采用倾斜偶极子地磁场模型,建立考虑系绳质量的近地轨道二体电动力绳系卫星系统动力学模型;其次,在系绳张力与电流存在约束的条件下,采用反步法结合抗饱和辅助函数解决控制输入受限问题,并引入动态尺度广义逆实现了欠驱动电动力绳系统展开稳定控制问题;然后,应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的稳定性;最后,在MATLAB/SIMULINK平台上进行了仿真验证。结果表明:通过调节系绳张力与电流,可以将系绳释放到指定位置,同时控制输入满足约束条件。

关键词：电动力绳系欠驱动系统展开控制反步法控制饱和

非合作航天器相对运动估计的混合滤波器设计方法

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宇航学报 2023年第5期44卷 764-773页

作者：卢山张世源上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对空间非合作目标的相对状态估计问题,利用星上量测设备获取的目标飞行器形心的相对状态信息,建立了非合作航天器相对运动的轨道-姿态一体化滤波模型,同时研究适用于非线性滤波问题的混合阶球面单形-径向容积卡尔曼滤波算法(MSSRCKF)... 详细信息

针对空间非合作目标的相对状态估计问题,利用星上量测设备获取的目标飞行器形心的相对状态信息,建立了非合作航天器相对运动的轨道-姿态一体化滤波模型,同时研究适用于非线性滤波问题的混合阶球面单形-径向容积卡尔曼滤波算法(MSSRCKF)。针对该模型状态方程中包含部分线性项、且与非线性项解耦的特性,将应用于线性系统的卡尔曼滤波器(KF)与MSSRCKF进行了融合,提出了线性-非线性混合卡尔曼滤波器(LNLKF)。该滤波器能够对一个滤波方程中线性与非线性的状态变量分别采用与之对应的滤波方式进行处理,有效避免了计算成本的浪费。最后,将L-NLKF应用于非合作航天器的相对状态估计,并与MSSRCKF进行比较分析。仿真结果表明,L-NLKF在保证计算精度的前提下,计算量明显低于MSSRCKF。

关键词：非合作航天器相对运动球面单形-径向准则混合卡尔曼滤波

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卫星姿态的状态转移控制

控制理论与应用 2017年第5期34卷 655-662页

作者：谭天乐上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

本文面向卫星的应用需求,对卫星姿态的运动学和动力学进行了分析与建模.利用反馈线性化,将姿态运动的高阶非线性项包含在姿态控制中,通过局部动态线性化,将动力学系统近似为定常系统.通过幂级数法对系统进行了状态转移过程的求解.采用... 详细信息

本文面向卫星的应用需求,对卫星姿态的运动学和动力学进行了分析与建模.利用反馈线性化,将姿态运动的高阶非线性项包含在姿态控制中,通过局部动态线性化,将动力学系统近似为定常系统.通过幂级数法对系统进行了状态转移过程的求解.采用模型预测的方法获得姿态角和姿态角速度的预期偏差.通过广义逆变换构造关于偏差的最小范数、最小二乘控制器.提出了一种基于状态转移的卫星姿态机动、跟踪与稳定控制的新方法.控制器的参数具有根据系统采样周期和当前状态时变自适应的特点.考虑帆板挠性及多种偏差和噪声影响,仿真验证了方法的可行性和有效性.

关键词：卫星反馈线性化幂级数模型预测广义逆变换状态转移姿态控制

基于Sarsa(λ)强化学习的空间机械臂路径规划研究

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宇航学报 2019年第4期40卷 435-443页

作者：徐帷卢山上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对目标特性未知的在轨操作环境,研究了典型空间操作机械臂的路径规划策略。采用Sarsa(λ)强化学习方法实现目标跟踪及避障的自主路径规划与智能决策,该方法将机械臂系统的每节臂视为一个决策智能体,通过感知由目标偏差和障碍距离程度... 详细信息

针对目标特性未知的在轨操作环境,研究了典型空间操作机械臂的路径规划策略。采用Sarsa(λ)强化学习方法实现目标跟踪及避障的自主路径规划与智能决策,该方法将机械臂系统的每节臂视为一个决策智能体,通过感知由目标偏差和障碍距离程度组成的二维状态,设计符合人工经验的拟合奖赏函数,进行各臂转动动作的强化训练,最终形成各智能体的状态-动作值函数表,即可作为机械臂在线路径规划的决策依据。将本方法应用于多自由度空间机械臂路径规划任务,仿真结果表明新算法能在有限训练次数内实现对移动目标的稳定跟踪与避障,同时各智能体通过学习所得的状态-动作值函数表,具备较强的后期在线自主调整能力,从而验证了算法较强的鲁棒性和智能性。

关键词：强化学习 Sarsa方法空间机械臂路径规划

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面向高轨航天器的在轨操控技术

宇航学报 2014年第4期35卷 425-431页

作者：卢山徐帷刘宗明郭雯婷梁彦上海航天控制技术研究所上海200233 上海市空间智能控制技术重点实验室上海200233

针对空间操控的任务需求,以高轨航天器轨道延寿为背景,分析了飞行任务流程。重点对超近距离段的相对姿态、相对轨道耦合动力学进行了分析和建模,设计了姿轨耦合控制律。同时,针对高轨卫星对天面安装有远地点发动机的特征,设计了非合作... 详细信息

针对空间操控的任务需求,以高轨航天器轨道延寿为背景,分析了飞行任务流程。重点对超近距离段的相对姿态、相对轨道耦合动力学进行了分析和建模,设计了姿轨耦合控制律。同时,针对高轨卫星对天面安装有远地点发动机的特征,设计了非合作目标图像特征识别、提取和相对测量算法。最后通过搭建分布式仿真系统,结合小型对接捕获机构,对超近距离的相对导航和相对运动控制进行了地面仿真试验,校验了对高轨航天器的远地点发动机喷管进行捕获从而实施在轨延寿的可行性。

关键词：空间操控轨道延寿相对控制特征识别