一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术为了解决在下降着陆段着陆器绝对水平位置估计的问题，提供了一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法。本发明专利技术充分利用了陨石坑特征绝对位置信息已知和着陆末端角点特征信息丰富的优点，避免了着陆末端陨石坑特征数目不足以进行导航定位，以及角点特征不能用于绝对位置估计的问题，提高了导航算法的稳定性；保证着陆器的精确着陆。

A visual navigation method for lander based on multi-source features

The invention relates to a visual navigation method of a lander based on multi-source characteristics, belonging to the technical field of deep space exploration. In order to solve the problem of estimating the absolute horizontal position of the lander at the falling landing stage, a visual navigation method of the lander based on multi-source characteristics is provided. The invention makes full use of the characteristics of crater absolute position information and the terminal landing corner feature information rich advantages, the number of the terminal landing crater feature is not enough to avoid navigation, and corner features cannot be used for absolute position estimation problem, improve the stability of the navigation algorithm; ensure the precision landing of the lander.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法
本专利技术涉及一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法，属于深空探测

技术介绍
着陆探测及采样返回是未来深空探测的主要发展方向。未来的小天体及火星探测任务都要求探测器具备在科学价值较高的区域精确定点着陆的能力。而目标天体距离地球较远，通讯时延严重，这就要求探测器具备自主导航的能力。同时，目标天体环境的先验信息不足、环境扰动和动力学特性时变等不确定性对自主导航系统提出了更高的要求。目前着陆过程中主要采用基于惯性测量单元IMU航位递推的导航方法，但该方法无法对初始偏差进行修正，且惯性测量单元存在随机漂移和误差，随着时间的累积误差会逐渐扩散，难以满足高精度导航的要求。由于目标天体表面存在大量的角点特征，美国火星探测漫游者利用下降着陆段获取的序列图像，通过帧间图像的角点检测与匹配对着陆器的相对速度进行估计，但该方法没有获得着陆器的绝对位置信息。针对上述单一导航方法存在的不足，在先技术(参见MourikisAI,TrawnyN,RoumeliotisSI,etal.Vision-aidedinertialnavigationforspacecraft本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：光学导航相机模型建立采用的导航相机模型为理想针孔模型；特征点xs在着陆点坐标系下位置坐标为(xs,ys,zs,1)

【技术特征摘要】
1.一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：光学导航相机模型建立采用的导航相机模型为理想针孔模型；特征点xs在着陆点坐标系下位置坐标为(xs,ys,zs,1)T，特征点xs对应的图像坐标为ux＝(ux,vx,1)T，则导航相机模型可由特征点xs与特征点图像坐标ux之间的对应关系来描述，即：ρux＝K[R|t]xs(1)其中ρ为非零常数因子，R为3×3的旋转矩阵；t为3×1的平移向量，且旋转矩阵的三个列向量为单位正交向量，矩阵[R|t]3×4为R和t的组合形式，K为导航相机内参数矩阵，满足：式中f为导航相机焦距；步骤2：基于陨石坑特征的着陆器绝对位姿估计在着陆初始阶段，导航相机观测范围较大，陨石坑特征较明显，首先利用陨石坑作为视觉特征进行着陆器位姿估计；当着陆器在位置cτ时，其中τ∈{1，2，3，…}，陨石坑全局位置信息已知，给定一幅下降图像中m个成功检测并与基准地图匹配的陨石坑，m≥3；结合步骤一中的导航相机模型，首先利用下降图像和基准地图中任意两对成功匹配的陨石坑，在着陆点坐标系下建立着陆器绝对运动约束方程为：(Gl-1Gk)W＝W(Cl-1Ck)(3)式中k<l且∈{1,2,…,m}，Ck和Cl分别表示两个陨石坑在着陆点坐标系下边缘椭圆曲线，Gk和Gl分别表示两个陨石坑像的边缘椭圆曲线，矩阵W表示着陆器绝对运动参数，矩阵W满足：其中：向量r1和r2为绝对姿态的列向量，且向量表示着陆器在着陆点坐标系中的绝对位置；结合着陆器绝对运动约束方程(3)，利用矩阵的克罗内克积建立关于着陆器绝对位姿的线性方程：F9m(m-1)/2×9w＝0(5)其中,满足矩阵I为3×3的单位矩阵，向量w为矩阵W的向量化形式，即w＝(w1,…,w9)T；由式(5)可以得到w，进而可以得到着陆器的绝对位置和姿态步骤3：基于陨石坑特征的着陆器相对位姿估计在着陆初始阶段，当着陆器在某一位置时陨石坑未能有效识别，即陨石坑全局位置信息未知，在着陆器本体坐标系下建立着陆器相对运动约束方程；给定下降图像中n个成功检测并与相邻图像匹配的陨石坑，且n≥3；则利用两幅相邻图像中任意两对成功匹配的陨石坑建立着陆器在两个不同位置间的相对运动约束方程为：其中，i＜j且∈{1,2,…,n}；矩阵Ai，Aj分别表示着陆器在位置cλ-1时两个陨石坑像的边缘椭圆曲线，其中λ＝2,3,…；矩阵Bi，Βj分别表示着陆器在位置cλ时两个陨石坑像的边缘椭圆曲线；且矩阵Ai,Aj,Bi,Bj都为3×3的非奇异对称矩阵；矩阵H为3×3单应矩阵，满足：式中向量表示着陆器在不同位置间的相对位置；矩阵表示着陆器在不同位置间的相对姿态；表示天体表面在相机坐标系下的单位法向量；表示天体表面距离相机坐标系原点的垂直距离；结合着陆器不同位置间相对运动约束方程(6)，利用矩阵的克罗内克...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔平远，高锡珍，于正湜，刘阳，朱圣英，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11