月球探測器自主視覺導(dǎo)航技術(shù)的研究.pdf

1、國內(nèi)圖書分類號(hào)：TP391.4國際圖書分類號(hào)：681.5工學(xué)博士學(xué)位論文月球探測器自主視覺導(dǎo)航技術(shù)的研究博士研究生：介鳴導(dǎo)師：黃顯林教授申請學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科、專業(yè)：控制科學(xué)與工程所在單位：控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心答辯日期：2008年1月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)摘要摘要月球探測器的自主導(dǎo)航方法是探月工程的核心技術(shù)之一。本課題來源于國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目“月球探測系統(tǒng)的建模、傳感、導(dǎo)航和控制基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究”。目前，基于

2、計(jì)算機(jī)視覺的導(dǎo)航方法，已成為深空探測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文對月球探測器在軟著陸階段的自主視覺導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。論文的主要研究內(nèi)容包括：針對月面探測器在進(jìn)入軟著陸階段時(shí)所要完成的精確初始定位任務(wù)，提出了一種基于月球地貌匹配的初始定位方法。在初始定位時(shí)，與探測器固聯(lián)的CCD相機(jī)所拍攝的月面圖像相對于圖像數(shù)據(jù)庫存在較大的旋轉(zhuǎn)和縮放。采用ScaleInvariantFeatureTransfm（SIFT）算法提取月球地貌特征并進(jìn)行匹配

3、，克服了存在較大的旋轉(zhuǎn)和縮放的圖像的匹配問題。利用線性的2D3D位姿估計(jì)方法計(jì)算位姿的估計(jì)初值，然后利用非線性最小二乘方法結(jié)合四元數(shù)方法計(jì)算出探測器在月球地理坐標(biāo)系下的絕對位置和姿態(tài)。仿真結(jié)果表明該方法可以有效的解決月球探測器的精確初始定位問題。在月球探測器的動(dòng)力下降階段，導(dǎo)航相機(jī)所拍攝的圖像在相鄰時(shí)刻之間的相對運(yùn)動(dòng)較大，傳統(tǒng)的特征跟蹤方法無法同時(shí)滿足精度和魯棒性的要求。針對上述問題，使用基于圖像金字塔的多尺度光流法，在圖像間相對運(yùn)動(dòng)較

4、大的情況下實(shí)現(xiàn)了對特征點(diǎn)的可靠跟蹤。利用魯棒最小二乘方法，估計(jì)出探測器在下落過程中不同時(shí)刻之間的相對剛體運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在線性方法得到的估計(jì)初值的基礎(chǔ)上，本文提出了基于改進(jìn)光束約束法的非線性優(yōu)化方法，進(jìn)一步的提高運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)值的精度。為了實(shí)現(xiàn)月球探測器的六自由度位姿估計(jì)，提出了一種基于對偶四元數(shù)和Unscented卡爾曼濾波器的視覺導(dǎo)航方法。通過基于對偶四元數(shù)的位姿計(jì)算，建立了探測器的位姿估計(jì)方程。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)探測器的在動(dòng)力下降階段的運(yùn)動(dòng)

5、模型建立了非線性狀態(tài)方程，并通過構(gòu)造特征點(diǎn)三角形以及結(jié)合激光測距儀數(shù)據(jù)建立了觀測方程。考慮到狀態(tài)方程和觀測方程均為非線性方程，利用Unscented卡爾曼濾波方法估計(jì)探測器的位置和姿態(tài)。數(shù)值仿真表明該方法可行。在月球探測器的垂直下降段，為了實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域的識(shí)別，通過運(yùn)動(dòng)獲得長基線并進(jìn)行立體視覺三維重構(gòu)。對立體匹配方法進(jìn)行了深入的研究，并提出了結(jié)合使用盒濾波和單向唯一性檢測的方法提高立體匹配的實(shí)時(shí)性。針對長基線立體視覺方法所存在的問題，設(shè)計(jì)