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文檔簡介
1、對未知領(lǐng)域的探索,是人類社會發(fā)展進(jìn)步的不懈追求。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,小行星和彗星等小天體的探測已經(jīng)成為新世紀(jì)深空探測的熱點(diǎn)之一。利用小天體探測任務(wù)中拍攝的圖像,不但能夠較為直觀地得到目標(biāo)天體的形狀結(jié)構(gòu)及地表特征,而且可以對探測器進(jìn)行自主光學(xué)導(dǎo)航。如何利用圖像信息獲得更多的科學(xué)觀測及導(dǎo)航信息是小天體探測領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。本學(xué)位論文結(jié)合國家863計劃項目“小行星附著與地面演示驗證系統(tǒng)”、國家自然科學(xué)基金項目“深空探測自主導(dǎo)航理
2、論與方法研究”,深入研究了基于圖像信息的小天體參數(shù)估計與探測器自主導(dǎo)航算法,論文的主要研究內(nèi)容包括:
首先,針對巡航段、接近段等深空環(huán)境中拍攝圖像的各種噪聲干擾,對圖像進(jìn)行輻射標(biāo)定、幾何標(biāo)定以及光散度標(biāo)定。利用雙邊濾波算法取代傳統(tǒng)的中值濾波對深空圖像進(jìn)行噪聲消除,在保留天體邊緣信息的同時,消除了高斯等噪聲影響。采用最小外接橢圓法進(jìn)行形心確定,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了接近段目標(biāo)天體進(jìn)行跟蹤算法,并提出了利用計算外接橢圓旋轉(zhuǎn)變化來確定小天
3、體自旋周期的算法。
其次,提出了僅利用繞飛圖像和一個距離信息進(jìn)行小天體三維模型建立并進(jìn)行物理參數(shù)估計的算法。針對光照、旋轉(zhuǎn)等影響因素,利用 PCA-SIFT算法對序列圖像進(jìn)行特征點(diǎn)的提取、匹配,避免了人工匹配效率低的缺點(diǎn)。根據(jù)窄視場相機(jī)的特點(diǎn),用弱透視近似透視投影,并利用因式分解算法重構(gòu)小天體模型,同時估計探測器的位置、姿態(tài)。在得到的表面特征點(diǎn)三維坐標(biāo)的基礎(chǔ)上,利用一種快速有效的三角剖分算法對小天體三維模型進(jìn)行描述,并將對體積
4、的積分轉(zhuǎn)化為對三角網(wǎng)格頂點(diǎn)的計算,得到小天體的體積、表面積、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量、慣量主軸、引力勢以及引力場分布等基本物理參數(shù)。
再次,給出了利用尺度不變特征點(diǎn)作為導(dǎo)航陸標(biāo)進(jìn)行探測器自主著陸導(dǎo)航的算法。著陸段初期,將局部圖像提取的特征點(diǎn)與繞飛段建立的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配,結(jié)合小天體三維模型,確定探測器在小天體固連坐標(biāo)系下的位置、姿態(tài)等信息;在著陸末端,利用拼接圖像建立虛擬導(dǎo)航地圖,即使在沒有觀測到目標(biāo)著陸點(diǎn)的情況下,也可以確定探測器
5、相對于著陸點(diǎn)坐標(biāo)系的6DOF狀態(tài)。另一方面,將特征匹配導(dǎo)航算法與慣導(dǎo)信息進(jìn)行融合,既克服特征點(diǎn)匹配算法計算量大、可能無法匹配的缺點(diǎn),又減小了慣導(dǎo)累積誤差的影響,為精確著陸導(dǎo)航提供了保障。
然后,為進(jìn)一步提高自主導(dǎo)航的穩(wěn)定性和精度,給出了一種快速相鄰幀間狀態(tài)估計的算法。利用局部窗口極值的快速搜索算法提取出不同尺度空間的特征點(diǎn),提高了匹配的實時性;同時提出一種自適應(yīng)特征點(diǎn)采樣選取算法,對采樣塊的大小及分布進(jìn)行選擇,避免了計算的冗余
6、性。在此基礎(chǔ)上,通過建立本質(zhì)空間中的狀態(tài)方程,利用極線幾何約束設(shè)計IEKF濾波器,對探測器進(jìn)行相對位置、姿態(tài)的估計。
最后,提出了利用末端著陸圖像進(jìn)行地表形態(tài)識別,提取障礙區(qū)域并自主選擇安全著陸點(diǎn)的算法。對圖像陰影、光亮區(qū)域利用高低帽變換進(jìn)行分割,并消除噪聲影響;對非陰影區(qū)域分別采用多視圖幾何迭代算法和正投影因式分解算法進(jìn)行地表識別,分析了不同算法的應(yīng)用范圍及重構(gòu)精度。在確定障礙的基礎(chǔ)上,針對不同障礙的分布情況分別采用遺傳算法
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