在陌生的地外天體表面開展探測活動,能夠獲取豐厚的科學回報,但也給著陸器、行星表面漫游器等深空探測器的導航技術提出了挑戰(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)巡視探測任務開展的前提。由于通訊延時限制,精確軟著陸任務要求探測器必須具備自主、實時確定位置和姿態(tài)的能力,而對于巡視漫游等任務,能夠自主估計漫游器狀態(tài),感知危險地形也是提高任務安全性和效率,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、漫游器應用的行星表面障礙地形檢測方法以及自主導航方法展開研究。本學位論文結合國家973計劃項目“行星表面精確著陸導航與制導控制問題研究”,對基于主、被動敏感器的障礙地形檢測方法及地形相關自主導航問題進行了研究,論文主要研究內容如下:研究了基于主動激光雷達的巖石檢測技術。在激光雷達獲取的三維地形數(shù)據(jù)中檢測包括巖石在內的具有地形起伏的障礙,關鍵在于排除起伏地形的干擾,準確的確定地形基準平面,提出了一種基于形態(tài)學濾波的快速基準平面確定方法,該方法首先對點云數(shù)據(jù)進行形態(tài)學濾波,剔除包括障礙物以及測量野值在內的基準平面外點,對濾波后的數(shù)據(jù)集進一步采用隨機抽樣方法獲得最終的擬合平面。以形態(tài)學濾波作為數(shù)據(jù)前處理過程有效降低了數(shù)據(jù)集中外點的比例,縮短隨機抽樣時間的同時提高了基準面擬合的精度,數(shù)學仿真結果驗證了算法的有效性。研究了基于被動圖像的巖石檢測技術。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確率低的問題,提出了基于多尺度區(qū)域圖像對比度增強方法。該方法以圖像區(qū)域為基本計算單元,通過區(qū)域特征對比度信息實現(xiàn)圖像對比度的增強,相比于邊緣檢測算子,該方法在降低算法的內存占有率的同時還能夠提高巖石的檢測精度。由激光雷達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現(xiàn)探測器位置姿態(tài)確定,受限于敏感器技術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的方向夾角為基本元素,構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,建立了基于三維地形特征的最終著陸段探測器自主導航方法。著陸過程中采集的星表圖像與導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航方法,將探測器攜帶的傳統(tǒng)二維導航地圖替換為著陸區(qū)三維地形,在著陸過程中導航系統(tǒng)根據(jù)預測的探測器位姿在線生成導航參考圖像,也就是導航地圖,減小星表圖像和導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位置,以已知位置的地形特征像素坐標為觀測量,設計了導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),同時定位與地圖構建(SLAM)方法是解決該問題的有效手段之一,但是標準SLAM方法由于沒有對導航路標主動重觀測的過程,抑制導航誤差累積的效果不理想,針對這一問題提出了帶有主動重觀測機制的未知地形中的自主導航方法,設計了基于顯著性的導航路標提取和局部地形顯著性評估方法,并構建了主動重觀測觸發(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比率給出了重觀測路徑選取方法,與標準的EKF-SLAM方法對比結果表明本文所提的主動SLAM方法在抑制導航誤差方面效果更好。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V448.2
【部分圖文】：

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【參考文獻】

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本文編號：2893558