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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。


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