融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位系统及方法。所述系统包括视觉传感器、视觉SLAM定位模块、引力场建模模块和轨道优化模块；视觉传感器用于拍摄小行星表面图像；视觉SLAM定位模块进行特征提取匹配与跟踪，并估计探测器位姿、修正视觉累积误差；引力场建模模块重构行星表面三维模型，并进行稠密重建，对点云进行网格化处理，再基于多面体法对小行星引力场建模；轨道优化模块根据估计的探测器位姿和引力场建模来分析反演视觉初始定轨误差并进行修正。本发明专利技术所述方法基于估计的探测器位姿和引力场建模求解行星不规则引力场，分析反演视觉初始定轨误差在轨道动力学中的传播过程，修正视觉定位累计误差，实现高精度导航定位。现高精度导航定位。现高精度导航定位。

【技术实现步骤摘要】
融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位系统及方法


[0001]本专利技术涉及小行星探测领域，具体涉及一种融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位系统及方法。

技术介绍

[0002]小行星探测以获取其资源成分、形态结构和运动特征等基本信息为目标，对于认识太阳系、研究生命起源和演化具有重大意义。由于小行星距离地球距离远，通讯传输延迟长，需要探测器在接近目标天体时具备自主探测能力，其中自主导航和表面建模是行星自主探测的关键技术，能实现获取航天器相对于小行星表面的位置、姿态及三维模型等基本信息。
[0003]传统航天器导航方式，一般基于累积误差不受控的惯性元件，或基于功耗较高、测量范围受限的激光雷达等主动传感器，在周期长、能耗有限的深空探测任务中应用效果有限。因此，深空自主导航系统普遍采用能耗低且能获取丰富图像信息的视觉导航系统。但是现有的行星视觉导航方法需要对小行星进行长期的绕飞观测，并且要求大量人工参与重建天体模型和标记路标特征，不适应未来自主探测导航的发展需求。另一方面，提前标记参考特征库的方法，容易受光照、尺度、视角变化影响，在特征提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位系统，其特征在于，所述系统包括视觉传感器、视觉SLAM定位模块、引力场建模模块和轨道优化模块；所述视觉传感器，用于拍摄小行星表面的图像信息；所述视觉SLAM定位模块，用于接收相机拍摄的小行星表面的图像信息，并对小行星表面的图像特征进行提取匹配与跟踪，通过因子图优化算法估计探测器位姿，通过回环检测修正视觉累积误差；所述引力场建模模块，用于接收相机拍摄的小行星表面的图像信息，并根据绕飞段的图像由SFM算法恢复相机运动并重构行星表面三维模型，通过MVS进行稠密重建，随后对点云进行网格化处理，再基于多面体法对不规则小行星引力场建模；所述轨道优化模块，用于根据所述视觉SLAM定位模块估计的探测器相对小行星位置姿态和所述引力场建模模块求解的行星不规则引力场来分析反演视觉初始定轨误差在轨道动力学中的传播过程，并对视觉定位累计误差进行修正；所述定位系统设计了一种基于轨道动力学的伪相对运动分析精确轨道优化算法，基于定位模块估计的探测器相对小行星位置姿态和引力场建模模块求解的行星不规则引力场，分析反演视觉初始定轨误差在轨道动力学中的传播过程，修正视觉定位累计误差，改善初始定位结果。2.一种融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，所述方法包括以下步骤：首先，通过视觉传感器获取小行星表面图像信息；其次，视觉SLAM定位模块根据获取的图像信息对小行星表面的特征进行提取匹配，通过因子图优化算法估计探测器位姿，并进行回环检测；同时，引力场建模模块根据获取的图像信息重构行星表面三维模型，实现基于多面体法的行星不规则引力场建模；最后，轨道优化模块基于估计的探测器位姿和引力场建模求解行星不规则引力场，分析反演视觉初始定轨误差在轨道动力学中的传播过程，修正视觉定位累计误差，实现高精度导航定位。3.根据权利要求2所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述方法在探测过程中进行坐标系定义：定义小行星固连坐标系为并以此作为世界坐标系，其中，A为坐标系原点，通常是为小行星质心；定义探测器坐标系为其中，S为探测器本体坐标系原点，在绕飞时轴指向小行星质心，为迹向方向，为及叉乘结果；定义相机坐标系为在设定中相机位于探测器正前方，三轴与探测器坐标系一致；定义像平面坐标系为4.根据权利要求2所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述方法采用视觉SLAM相对定位算法对小行星表面特征进行提取，并根据提取的路标特征实时计算探测器相对于环境的位置和姿态，并建立环境地图；所述视觉SLAM相对定位算法包括三个线程：追踪、局部建图及回环检测；所述追踪线程主要负责根据输入图像提取特征进行初始位姿估计，并建立关键帧；所述局部建图线程根据关键帧建立局部地图；所述回环检测线程通过词袋模型检测候选帧是否回环，最后优化全局地图并更新。
5.根据权利要求4所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述视觉SLAM相对定位算法对小行星表面进行特征提取时，使用ORB特征提取算法进行特征提取，所述ORB特征提取算法使用增强的FAST提取关键点，并使用方向归一化的BRIEF描述子对关键点进行描述。6.根据权利要求4所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述追踪线程将输入的序列图像与地图点进行匹配计算相机位姿，具体步骤为：将第一帧图像的相机坐标系作为系统参考坐标系，通过序列图像的帧间匹配可以传递特征点的世界坐标，在帧间进行3D
‑
3D对应估计可以求解参考坐标系与每帧图像对应的位姿关系；在前一帧追踪成功时，采用匀速运动模型或关键帧模型获得初始的位姿矩阵，再基于因子图优化模型最小化3D
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2D重投影误差函数，迭代求解得到更优的位姿，其中误差函数为：其中，是系统参考坐标系相对于第i帧相机坐标系的旋转和平移向量，(u
j
,v
j
)为第j个特征点的像素坐标，N为匹配到的特征点总和，ρ()为Huber损失函数，project()表示3D
‑
2D重投影误差函数，X
j
为第j个匹配点在参考坐标系中的x坐标，∈为和每个特征点的尺度相关的信息矩阵；在对每帧影像进行以上操作的同时，所述局部建图线程负责在当前地图插入关键帧和筛选、产生新的地图点，实时地优化局部若干帧的位姿及相应3D点的位置，对误差进行修正。7.根据权利要求4所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述回环监测线程使用词袋模型，将每张图像构建为一个词袋向量，通过相似度度量：其中，v
i
和v
j
为对应的两幅图像的词袋向量，来评价两幅图像的相似度得分，判断是否进行回环检测。8.根据权利要求2所述的融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位方法，其特征在于，所述方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊铭瑞，牛文龙，彭晓东，李运，高辰，杨震，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：