無論是對月球還是其它天體的探測,安全軟著陸是重要的關(guān)鍵技術(shù)之一,直接關(guān)系到探測任務(wù)的成敗。月球軟著陸過程中障礙識別的結(jié)果對著陸導(dǎo)航有著直接影響。障礙識別使用的傳感器主要有CCD相機和LIDAR,以此獲取著陸區(qū)地形信息,并使用障礙檢測算法對著陸區(qū)進行風(fēng)險評估,為安全著陸提供支撐。本文對月球軟著陸過程中的障礙檢測與識別方法進行了研究,主要開展的研究工作如下。首先,研究基于CCD相機采集的可見光圖像的障礙檢測與識別方法。對巖石障礙,研究一種基于最大類間方差法的圖像分割算法,實現(xiàn)對巖石障礙及其陰影的識別;對隕石坑障礙,研究一種基于Canny算子的邊緣檢測方法,將隕石坑的真實邊緣通過邊緣篩選和邊緣匹配的方法提取出來,并采用橢圓擬合的方法將隕石坑擬合,完成隕石坑的識別。其次,研究基于LIDAR采集的地形三維數(shù)據(jù)的障礙識別方法。在獲得采樣點高程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過最小平方中值法實現(xiàn)局外點的剔除,對局內(nèi)點使用最小二乘算法確定地形最佳平面方程,以此計算地形的粗糙度與坡度,并進一步對月面進行風(fēng)險評估。最后,提出一種利用CCD相機與LIDAR傳感器的多模信息障礙識別方法。在不同高度分別使用CCD相機與LIDA... 

【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：57 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

直方圖法示意圖

和隕石坑受到太陽光照射，在背對光線的一面會產(chǎn)生陰影區(qū)域，所以當(dāng)著陸器檢測到陰影區(qū)域，那么在此區(qū)域肯定存在障礙物，然后進行障礙識別。將陰影的幾何尺寸參數(shù)以及光照方向等已知條件結(jié)合，共同對障礙物的位置和大小進行估計確定，識別過程如圖 1-2 所示，通過地面模擬月球表面，對陰影進行檢測，最后對障礙進行識別。另外是基于 SFM 的障礙識別方法，其基本原理是：根據(jù)視差原理[17]，將單目相機通過兩個角度以及兩個時刻獲得的兩幅圖像與被測物體進行結(jié)合，三者構(gòu)成一個三角形，如果知道兩幅圖像之間的平面坐標(biāo)點之間的關(guān)系，就可以得到被測物體的三維尺寸大小以及三維坐標(biāo)點。所以將上述兩種障礙識別方法進行結(jié)合便可識別出著陸區(qū)域的巖石以及隕石坑等障礙物。SFM 的障礙識別算法理論上是可以完成對障礙物的識別，而且 James 等人進行了地面直升機飛行試驗驗證[18,19]，該驗證方法將慣性導(dǎo)航原理和 SFM 方法進行結(jié)合，估計著陸器的相對位置以及對匹配點對的三維信息進行重構(gòu)，將獲得的三維數(shù)據(jù)進行差值擬合，從而獲得著陸區(qū)的三維數(shù)字高程圖，然后利用構(gòu)建的數(shù)字高程圖將著陸區(qū)的障礙物識別出來。但是基于 SFM 的障礙識別方法計算量大，而且所獲取的三維地形分辨率也較低。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文得的三維數(shù)據(jù)進行插值擬合以及坐標(biāo)變換，從而獲得規(guī)則的月面數(shù)字高程圖，然后利用最小平方中值平面法擬合著陸區(qū)最佳平面，根據(jù)最佳平面識別巖石以及隕石坑等障礙物，并且對地形坡度進行評估。另外同樣是利用激光掃描雷達獲取三維數(shù)據(jù)進行障礙識別的方法，德克薩斯大學(xué)的學(xué)者 Sinclai 提出了一種利用領(lǐng)域高程數(shù)據(jù)比較的方法[37,38]，該方法的具體原理是：利用某采樣點的高程值與其領(lǐng)域的高程值進行比較，如果兩種高程值差距較大，則認(rèn)為該處存在巖石或者隕石坑等障礙物，如果差距相對較小，則認(rèn)為該處沒有較大的障礙物，但是這種方法對巖石以及隕石坑的識別效果較好，對于坡度的評估效果就沒那么理想。NASA 蘭利研究中心的 Nikolas、John 等人利用直升機對這種基于LIDAR 的障礙識別方法進行了地面驗證[39]，通過直升機攜帶 LIDAR 傳感器對月面模擬地形進行高程圖構(gòu)建以及障礙檢測識別，采用模擬地形對障礙進行障礙識別的結(jié)果如圖 1-3，從識別結(jié)果可以看出，這種使用 LIDAR 對障礙物進行檢測識別的方法有良好的識別結(jié)果。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]月球軟著陸自主障礙識別與避障制導(dǎo)方法[J]. 吳偉仁,王大軼,黃翔宇,李驥,張哲.  中國科學(xué):信息科學(xué). 2015(08)
[2]一種從月面圖像檢測隕石坑的方法[J]. 丁萌,曹云峰,吳慶憲.  宇航學(xué)報. 2009(03)
[3]圖象分割質(zhì)量評價方法研究[J]. 侯格賢,畢篤彥,吳成柯.  中國圖象圖形學(xué)報. 2000(01)
[4]灰度圖象的二維Otsu自動閾值分割法[J]. 劉健莊,栗文青.  自動化學(xué)報. 1993(01)

博士論文
[1]月球軟著陸自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制問題研究[D]. 李茂登.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2011
[2]月球探測器軟著陸視覺導(dǎo)航方法研究[D]. 姜肖楠.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010
[3]空間探測器著陸過程中的機器視覺關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 丁萌.南京航空航天大學(xué) 2010

碩士論文
[1]多模復(fù)合制導(dǎo)信息融合抗干擾算法設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 邢孟秋.西安電子科技大學(xué) 2017
[2]廢紙中廢舊電池的識別研究[D]. 辛海明.齊魯工業(yè)大學(xué) 2015
[3]基于多模信息融合的電力電纜故障精確定位技術(shù)[D]. 羅云鵬.西安電子科技大學(xué) 2014
[4]火星表面障礙識別與規(guī)避方法研究[D]. 董士波.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013
[5]基于激光雷達的行星軟著陸自主障礙檢測方法研究[D]. 汪備.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010
[6]基于隕石坑匹配的月球精確著陸導(dǎo)航方法研究[D]. 何江.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010
[7]月球探測器視覺導(dǎo)航技術(shù)研究[D]. 曹開銳.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2008
[8]月球軟著陸障礙檢測與規(guī)避控制方法研究[D]. 馮軍華.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2007
[9]多模復(fù)合制導(dǎo)信息融合技術(shù)研究[D]. 江源源.哈爾濱工程大學(xué) 2007
[10]月球探測器軟著陸制導(dǎo)控制方法研究[D]. 蔡艷芳.西北工業(yè)大學(xué) 2006



本文編號：3325766