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《哈尔滨工业大学》 2010年
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月球探测器软着陆自主光学导航方法研究

冯军华  
【摘要】:自主导航技术作为月球软着陆探测最为关键的技术之一,其水平直接关系着任务的成败。由于月球距离地球较远,探测器着陆过程持续时间短,因此对探测器的自主导航技术提出了新的挑战。本学位论文结合国家自然科学基金“深空探测自主导航理论与方法研究”等课题,以月球探测为背景,针对月球着陆段的任务特点,对自主光学导航系统所涉及的关键技术进行深入研究。主要研究内容包括以下几个方面: 首先对视觉特征提取和安全着陆点选取方法进行研究。针对月球探测器定点着陆任务对着陆精度和着陆安全性的需要,首先基于被动图像信息对着陆区常见的陨石坑和岩石地形特征进行提取,这些地形特征一方面可作为导航信标进行跟踪,另一方面也是障碍规避的主要地形。此外,探测器机动能力作为障碍规避的重要约束,将障碍规避过程简化为理想两脉冲机动对解析的机动能力表达式进行推导。最后综合探测器安全着陆的各种影响因素,设计基于模糊规则的最佳安全着陆点选取方法。 其次,对基于陨石坑匹配的软着陆导航方法进行研究。针对软着陆过程中探测器运动状态及导航相机视角不断变化的情况,利用陨石坑图像的仿射不变特性对陨石坑进行匹配,有效地避免常规方法在图像旋转、尺度缩放及形变条件下难以有效匹配的不足,确保陨石坑匹配的快速可靠。对有效匹配的陨石坑,以其视线矢量作为观测量,设计UKF滤波算法对探测器的相对运动状态进行精确估计。最后通过导航误差分析,对导航算法的可行性进行验证并给出陨石坑路标选取的基本准则。 再次,对基于三维地形匹配的软着陆导航方法进行研究。对探测器实时获取的着陆区三维数据,将局部区域内具有最大起伏程度的地形骨架提取出来作为待匹配地形特征,以获得更好的匹配效果。通过构建地形特征之间的相对位置与角度不变量,采用投票的匹配策略实现三维地形特征的快速精确匹配。针对导航测量噪声统计特性不确定性可能导致滤波精度下降甚至滤波发散的问题,将Sage-Husa噪声估计算子与迭代卡尔曼滤波相结合,构建自适应的导航滤波算法对探测器的位置、姿态进行精确估计。 最后,对基于多测量信息融合的软着陆导航方法进行研究。针对着陆末端视觉特征可能存在不能有效匹配的问题,通过构建视觉特征在连续帧之间的几何关系,同时结合路标视线观测,设计相对测量情况下的导航滤波算法对探测器的绝对位置和相对运动速度进行联合估计,以提高位置和速度的估计精度。此外,针对惯性导航存在误差积累以及视觉导航计算量大、更新速率慢的不足,将视觉测量与惯性测量相组合,通过视觉导航对惯性导航误差进行修正,充分利用彼此的优点,有效避免彼此存在的不足。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:V476.3

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
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2 江秀强;;基于IMU/LIDAR的月面软着陆自主导航方法[J];导弹与航天运载技术;2013年04期
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1 余萌;行星着陆巡视自主视觉导航方法研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
2 李建国;火星探测器自主光学着陆导航方法研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
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1 孙政;基于信息融合的火星着陆自主导航方法研究与半物理仿真验证[D];北京理工大学;2016年
2 吴尽;强冲击产生等离子体对逻辑芯片的干扰特性研究[D];沈阳理工大学;2016年
3 袁健飞;超高速碰撞靶板产生的光谱辐射特性研究[D];沈阳理工大学;2016年
4 任筱强;行星及行星卫星着陆探测自主导航方法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
5 王迪;超高速碰撞LY12铝靶产生闪光的辐射特性研究[D];沈阳理工大学;2015年
【参考文献】
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1 田阳;行星着陆器自主导航与控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
2 朱圣英;小天体探测器光学导航与自主控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
3 刘宇飞;深空自主导航方法研究及在接近小天体中的应用[D];哈尔滨工业大学;2007年
4 李爽;基于光学测量的相对导航方法及在星际着陆中的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
【共引文献】
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9 顾新锋;毛亮;刘童岭;陈小刚;;一种对月跟踪光电偏差检测方法[J];宇航学报;2015年09期
10 路游;郭江涛;孟庆鑫;;基于Hausdorff距离的图像边缘检测方法[J];计算机技术与发展;2015年08期
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1 刘小松;不规则弱引力场中探测器悬停与附着控制方法研究[D];吉林大学;2016年
2 余萌;行星着陆巡视自主视觉导航方法研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
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4 梁春辉;小天体附近探测器运动的轨道和姿态控制方法研究[D];吉林大学;2015年
5 杨慧欣;近地小行星近距离卫星编队自主导航与构形控制技术研究[D];国防科学技术大学;2014年
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7 冯国虎;单目视觉/惯性组合导航可观性分析与动态滤波算法研究[D];国防科学技术大学;2012年
8 高艾;基于光学信息的行星自主着陆鲁棒估计与制导方法研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
9 李茂登;月球软着陆自主导航、制导与控制问题研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
10 冯军华;月球探测器软着陆自主光学导航方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
【同被引文献】
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1 崔平远;冯军华;朱圣英;崔祜涛;;基于三维地形匹配的月球软着陆导航方法研究[J];宇航学报;2011年03期
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3 王大轶;黄翔宇;关轶峰;马兴瑞;;基于IMU配以测量修正的月球软着陆自主导航研究[J];宇航学报;2007年06期
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1 李桢;载人火星探测任务轨道和总体方案研究[D];国防科学技术大学;2011年
2 冯军华;月球探测器软着陆自主光学导航方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
3 丁萌;空间探测器着陆过程中的机器视觉关键技术研究[D];南京航空航天大学;2010年
4 田阳;行星着陆器自主导航与控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
5 邵巍;基于图像信息的小天体参数估计及探测器自主导航研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
6 李爽;基于光学测量的相对导航方法及在星际着陆中的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
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1 王喆鑫;基于滑模变结构的火星探测器姿态控制研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
2 李鑫;SAR图像导航定位测速技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
3 李宝宝;超高速碰撞下相变效应的数值模拟研究[D];国防科学技术大学;2010年
4 王玉珠;图像角点检测算法研究[D];重庆大学;2007年
5 杨泗智;卫星组合导航与相对定位方法研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
6 葛婷;几种数字图像滤波算法[D];南京信息工程大学;2006年
7 郭增才;超高速碰撞的跨尺度数值模拟[D];清华大学;2004年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 李海波;曹云峰;丁萌;庄丽葵;;火星沙尘环境光学图像增强方法[J];北京航空航天大学学报;2018年03期
2 王栋;邢帅;徐青;葛忠孝;;一种类球型小行星表面撞击坑的自动提取方法[J];宇航学报;2016年04期
3 李爽;陶婷;江秀强;张树瑜;周杰;;月球软着陆动力下降制导控制技术综述与展望[J];深空探测学报;2015年02期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 李征;超高速碰撞2A12铝撞击点附近的辐射特性研究[D];沈阳理工大学;2017年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 李海超;张广军;;一种基于角点引导的快速立体边缘匹配方法[J];北京航空航天大学学报;2007年05期
2 于秋则,程辉,田金文,柳健;基于等高线图与小波变换的3D地形匹配算法研究[J];宇航学报;2004年03期
3 张钧,柳健,彭复员;采用MAD算法进行地形匹配的精度分析[J];华中理工大学学报;2000年07期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 刘宇飞;深空自主导航方法研究及在接近小天体中的应用[D];哈尔滨工业大学;2007年
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【相似文献】
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1 孙毅;胡亚冰;刘荣强;邓宗全;;月球探测器软着陆机构展开动力学仿真分析[J];宇航学报;2010年02期
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6 赵伟;;警惕软着陆说误导[J];大经贸;2012年08期
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8 谢国忠;;软着陆可能成为陷阱[J];理论学习;2011年08期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 杨建中;曾福明;张熇;;月球探测器软着陆机构综述[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第一届学术会议论文集[C];2005年
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7 李鉴;肖业伦;;恒定过载情况下的月球探测器软着陆最优制动方案[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第二届学术会议论文集[C];2005年
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9 高艾;徐瑞;崔祜涛;崔平远;;基于H_∞滤波技术的小行星软着陆光学惯性组合导航方法研究[A];中国宇航学会深空探测技术专业委员会第七届学术年会论文集[C];2010年
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中国重要报纸全文数据库 前10条
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10 本报记者;平山区:大学生“村官”实现软着陆[N];本溪日报;2010年
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1 蔡艳芳;月球探测器软着陆制导控制方法研究[D];西北工业大学;2006年
2 刘晓宇;着陆器软着陆缓冲稳定性仿真分析[D];湖南大学;2013年
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9 赖永旺;10块新疆哈密沙漠陨石的岩石矿物学特征和类型划分及该地区陨石富集机制探讨[D];中国科学院研究生院(广州地球化学研究所);2015年
10 刘蕾;三维激光扫描系统开发及其行星软着陆地形建模应用[D];哈尔滨工业大学;2014年
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