在陌生的地外天體表面開展探測活動(dòng),能夠獲取豐厚的科學(xué)回報(bào),但也給著陸器、行星表面漫游器等深空探測器的導(dǎo)航技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。行星表面廣泛存在的巖石是影響探測器安全著陸的主要障礙物,精確實(shí)現(xiàn)以巖石為主的檢測與規(guī)避是探測器安全著陸及后續(xù)巡視探測任務(wù)開展的前提。由于通訊延時(shí)限制,精確軟著陸任務(wù)要求探測器必須具備自主、實(shí)時(shí)確定位置和姿態(tài)的能力,而對于巡視漫游等任務(wù),能夠自主估計(jì)漫游器狀態(tài),感知危險(xiǎn)地形也是提高任務(wù)安全性和效率,降低對地面支持系統(tǒng)要求的有效手段。因此,十分有必要針對探測器、漫游器應(yīng)用的行星表面障礙地形檢測方法以及自主導(dǎo)航方法展開研究。本學(xué)位論文結(jié)合國家973計(jì)劃項(xiàng)目“行星表面精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制問題研究”,對基于主、被動(dòng)敏感器的障礙地形檢測方法及地形相關(guān)自主導(dǎo)航問題進(jìn)行了研究,論文主要研究內(nèi)容如下:研究了基于主動(dòng)激光雷達(dá)的巖石檢測技術(shù)。在激光雷達(dá)獲取的三維地形數(shù)據(jù)中檢測包括巖石在內(nèi)的具有地形起伏的障礙,關(guān)鍵在于排除起伏地形的干擾,準(zhǔn)確的確定地形基準(zhǔn)平面,提出了一種基于形態(tài)學(xué)濾波的快速基準(zhǔn)平面確定方法,該方法首先對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)學(xué)濾波,剔除包括障礙物以及測量野值在內(nèi)的基準(zhǔn)平面外點(diǎn),對濾波后的數(shù)據(jù)集進(jìn)一步采用隨機(jī)抽樣方法獲得最終的擬合平面。以形態(tài)學(xué)濾波作為數(shù)據(jù)前處理過程有效降低了數(shù)據(jù)集中外點(diǎn)的比例,縮短隨機(jī)抽樣時(shí)間的同時(shí)提高了基準(zhǔn)面擬合的精度,數(shù)學(xué)仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性。研究了基于被動(dòng)圖像的巖石檢測技術(shù)。針對行星表面巖石邊緣模糊不完整,基于邊緣檢測算法對巖石檢測的準(zhǔn)確率低的問題,提出了基于多尺度區(qū)域圖像對比度增強(qiáng)方法。該方法以圖像區(qū)域?yàn)榛居?jì)算單元,通過區(qū)域特征對比度信息實(shí)現(xiàn)圖像對比度的增強(qiáng),相比于邊緣檢測算子,該方法在降低算法的內(nèi)存占有率的同時(shí)還能夠提高巖石的檢測精度。由激光雷達(dá)或雙目視覺獲得的行星表面三維地形數(shù)據(jù),除了用來檢測識別巖石等障礙地形,還可以通過三維特征匹配實(shí)現(xiàn)探測器位置姿態(tài)確定,受限于敏感器技術(shù)水平和地形遮擋等客觀條件,三維地形數(shù)據(jù)往往是稀疏的,給地形特征提取和匹配帶來了困難,針對這一問題,提出一種基于特征間有向距離描述的特征匹配方法,以特征之間的距離和對應(yīng)的方向夾角為基本元素,構(gòu)成地形特征描述集合,利用集合相似性判斷特征是否匹配,以特征匹配方法為基礎(chǔ),建立了基于三維地形特征的最終著陸段探測器自主導(dǎo)航方法。著陸過程中采集的星表圖像與導(dǎo)航地圖庫圖像在尺度、視角等方面存在較大差異,使地圖庫圖像與星表圖像特征匹配十分困難,為解決該問題提出了一種天體三維地形輔助的視覺導(dǎo)航方法,將探測器攜帶的傳統(tǒng)二維導(dǎo)航地圖替換為著陸區(qū)三維地形,在著陸過程中導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測的探測器位姿在線生成導(dǎo)航參考圖像,也就是導(dǎo)航地圖,減小星表圖像和導(dǎo)航參考圖像尺度差異。通過模板匹配確定著陸過程中采集星表圖像中地形特征的真實(shí)位置,以已知位置的地形特征像素坐標(biāo)為觀測量,設(shè)計(jì)了導(dǎo)航濾波器確定探測器的狀態(tài)。在未知地形環(huán)境自主確定航天器狀態(tài),同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)方法是解決該問題的有效手段之一,但是標(biāo)準(zhǔn)SLAM方法由于沒有對導(dǎo)航路標(biāo)主動(dòng)重觀測的過程,抑制導(dǎo)航誤差累積的效果不理想,針對這一問題提出了帶有主動(dòng)重觀測機(jī)制的未知地形中的自主導(dǎo)航方法,設(shè)計(jì)了基于顯著性的導(dǎo)航路標(biāo)提取和局部地形顯著性評估方法,并構(gòu)建了主動(dòng)重觀測觸發(fā)條件,考慮重觀測區(qū)域顯著性、重觀測路徑長度和重觀測路標(biāo)比率給出了重觀測路徑選取方法,與標(biāo)準(zhǔn)的EKF-SLAM方法對比結(jié)果表明本文所提的主動(dòng)SLAM方法在抑制導(dǎo)航誤差方面效果更好。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V448.2
【部分圖文】：

圖 1-3 NASA 自主著陸與障礙檢測實(shí)驗(yàn)Fig.1-3 NASA Autonomous Landing and Hazard Detection Test其中，在 2014~2015 年，應(yīng)用 NASA 自主研發(fā)的 Flash 激光雷達(dá)的 Morpheus飛行器多次成功完成了自主 HDA地面試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)并實(shí)現(xiàn)了高精度自主著陸[22, 25]。在地面試驗(yàn)過程中，Morpheus 首先上升至 250 m 左右高度，調(diào)整姿態(tài)使 Flash

圖 1-4 ESA 的自主 HDA 方案[26]Fig.1-4 Autonomous HDA capabilities of ESA[26]1.2.2 行星表面障礙表征方法研究現(xiàn)狀行星表面障礙表征方法是障礙檢測與識別技術(shù)的基礎(chǔ)，通過處理主被動(dòng)光

圖 2-1 外點(diǎn)比例低于 50%的地形下基準(zhǔn)平面提取結(jié)果 Plane fitting result under terrain with lower hazard percentage ANSAC 算法從概率學(xué)推導(dǎo)出隨機(jī)抽取的次數(shù)。其抽log(1 )PN =
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2893558