【摘 要】
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由于人类航天活动的日渐频繁,随之而带来一系列的太空碎片,对宇航员及太空空间产生巨大威胁,严重影响了人类对太空的开发,发展太空碎片清除技术对我国卫星运行环境、通信服务
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由于人类航天活动的日渐频繁,随之而带来一系列的太空碎片,对宇航员及太空空间产生巨大威胁,严重影响了人类对太空的开发,发展太空碎片清除技术对我国卫星运行环境、通信服务及国防安全等具有重大意义。基于单目视觉的激光移除碎片技术是一种清洁安全有效的碎片主动清除技术,特别是对小目标碎片的清除,这类碎片往往是数量庞大,并且运行的轨道都是随机的。目前,此技术主要是由单目相机拍摄目标图像序列,并由导航计算机进行目标位姿解算,跟踪目标并清除目标。本设计对空间目标操控系统中视觉系统采用FPGA+DSP构架,用FPGA对图像实现并行处理,提取图像特征,DSP进行位姿解算直接输出结果,从而实现FPGA与DSP的并行工作模式,提高了单目视觉系统的性能。本文主要研究了空间目标操控系统中的视觉系统,包括视觉系统硬件电路的设计、提高视觉数据更新率的FPGA图像预处理和算法设计、单目视觉图像处理技术和空间目标相对导航算法研究,具体研究工作如下:设计视觉系统的硬件结构,在此基础上,对比传统串行工作模式和并行流水工作机制工作时间,得到提高数据更新率的方法。目前的视觉处理系统大都是串行模式,即图像的曝光,图像的存储,图像的处理,特征提取和位姿解算等串行工作,这种模式显然不能满足数据更新率。与传统的串行模式相比,并行流水线的工作方式可以将图像的曝光、图像的存储和图像的处理同步进行,从而设计三级并行处理模式,提高了视觉系统的实时性。根据针孔成像原理,建立三维空间到二维平面的投影模型,考虑到光学镜头在加工过程中产生的畸变,采用张氏标定法得到视觉系统内参。通过对目标表面图案和特征点的设计,对比空间目标特征角点和凸多边形特征点定位稳定性和精度,设计算法对随机不规则特征点进行处理,采用基于单幅图像共面特征点的PnP算法进行位姿解算。通过对视觉经典PnP问题解法研究,研究了PnP问题解的闭式解中的直接线性变换法和EPnP法,迭代解中的POSIT算法和L-M算法,最终采用L-M法进行迭代优化,并将位姿结果通过数据通信输出。为了进一步验证文中设计方法的可信性和可靠性,设计了基于FPGA+DSP的视觉系统硬件结构,并且把图像的曝光、图像的存储和图像的处理并行计算部分在FPGA中运行,由于PnP问题的L-M法涉及到浮点运算,因此L-M法在DSP中运行,最后把基于FPGA+DSP的视觉系统采用地面系统进行了验证。
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