Variable-baseline stereo system for relative pose estimation of uncooperative targets

Autonomous navigation is becoming an increasingly important theme in most of space applications, in particular when dealing with satellite relative pose estimation. First of all it should be considered that, in such problems, the high non-linearities of the satellite dynamics and of the measurement model increase the complexity of the system. Dual Quaternions, which are an extension of normal quaternions, allow to describe in an efficient and compact way the relative translational and rotational dynamics through a unique mathematical tool, also inheriting all the advantages of quaternions. For these reasons, a non-linear Unscented Kalman Filter (UKF) that estimates relative dynamics written in terms of Dual Quaternions is realised. Particularly interesting is the case where measurements are provided by a vision-based system where double cameras are used in order to create a stereo configuration able to estimate also the depth. The aim of this thesis is to exploit the variable-baseline stereo effect through the innovative idea of mounting a vision camera on the extremity of a 6-dof robotic manipulator. In this way, the baseline of the stereo is directly linked to the position of the robot end-effector. Sensitivity analyses are performed for such system, in order to investigate filter performances depending on various parameters as robot configuration, relative satellite distance and angular velocity, process noise level, sample frequency, and so on. Monte Carlo approach is adopted in order to give a statistical validation to the obtained results. In addition, some failure conditions are investigated, in order to see the filter behaviour in such critical situations.

La navigazione autonoma sta diventando un tema sempre più importante nella maggior parte delle applicazioni spaziali, in particolare quando si a che fare con la stima della posa relativa fra due satelliti. Innanzitutto occorre considerare che, in tali problemi, le elevate non linearità della dinamica e del modello di misura incrementano la complessità del sistema. I Dual Quaternions, che sono un’estensione dei quaternioni semplici, permettono di descrivere in maniera efficiente e compatta la dinamica relativa traslazionale e rotazionale attraverso un unico strumento matematico, ereditando inoltre tutti i vantaggi dei quaternioni. Per queste ragioni, è stato implementato un UKF non-lineare, il quale stima la dinamica relativa scritta per mezzo dei Dual Quaternions. Di particolare interesse è il caso in cui le misure sono date da un sistema visivo dove due telecamere sono usate per creare una configurazione stereo che renda possibile stimare anche la profondità. L’intento di questa tesi è di sfruttare l’effetto di variazione della baseline dello stereo attraverso l’idea innovativa di montare una camera all’estremità di un manipolatore robotico a 6 gradi di libertà. In questo modo, la baseline dello stereo è legata direttamente alla posizione dell’end-effector del robot. Sono state svolte delle analisi di sensitività, per investigare le prestazioni del filtro al variare di alcuni parametri come la configurazione del robot, la distanza e la velocità angolare relativa tra i satelliti, il livello di rumore di processo, la frequenza di campionamento, e così via. Un approccio alla Monte Carlo è stato impiegato per dare una validazione statistica ai risultati ottenuti. Inoltre, sono state analizzate alcune condizioni di guasto, per vedere il comportamento del filtro in tali situazioni critiche.