火星探測(cè)器自主著陸過程中,環(huán)境感知在導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中具有重要的作用。環(huán)境感知技術(shù)按照傳感器類型可分為兩大類:一類是基于主動(dòng)傳感器的感知技術(shù),即向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射無線電波或光波等信號(hào),通過接收反射回來的信號(hào)進(jìn)行環(huán)境感知,這類傳感器主要有激光雷達(dá)、微波雷達(dá)等;另一類是基于被動(dòng)傳感器的感知技術(shù),即被動(dòng)地獲取環(huán)境反射的可見光或紅外信號(hào)等,傳感器主要有光學(xué)相機(jī)、紅外相機(jī)等。被動(dòng)傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、功耗低、獲取信息豐富等優(yōu)點(diǎn);主動(dòng)傳感器具有不受光照條件約束、獲取三維信息準(zhǔn)確的特點(diǎn)。結(jié)合主、被動(dòng)傳感器的優(yōu)點(diǎn),考慮傳感器的作用距離及感知任務(wù)需求,本文開展了相關(guān)的基于主、被動(dòng)傳感器的火星探測(cè)器自主著陸環(huán)境感知研究工作。首先,分析了目前火星探測(cè)器自主著陸導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制方案存在的問題,提出了將環(huán)境感知技術(shù)應(yīng)用于GNC系統(tǒng)的方案。明確了環(huán)境感知的研究任務(wù)、研究對(duì)象、系統(tǒng)輸出及研究環(huán)境,構(gòu)建了環(huán)境感知系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)研究方案,歸納出環(huán)境感知研究的關(guān)鍵技術(shù)。然后,針對(duì)火星沙塵天氣對(duì)探測(cè)器著陸時(shí)采用光學(xué)圖像進(jìn)行環(huán)境感知的影響,提出了一種火星沙塵環(huán)境中圖像清晰化恢復(fù)方法。該方法首先對(duì)沙塵環(huán)境中獲取的圖像建立圖像退化模型,將火星沙塵環(huán)境中圖像的清晰化問題轉(zhuǎn)化為求取模型中大氣光值與透射系數(shù)值問題。對(duì)于大氣光值的計(jì)算,設(shè)計(jì)了一種基于四叉樹細(xì)分的方法,即在最小值圖像上進(jìn)行細(xì)分迭代,搜尋均值最大的指定閾值區(qū)域,然后在輸入圖像中尋找相對(duì)應(yīng)區(qū)域,計(jì)算區(qū)域各通道均值,求出大氣光值。對(duì)于透射系數(shù),利用獲取的大氣光值及暗通道先驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)表明,文中提出的圖像清晰化恢復(fù)方法對(duì)于光照變化、沙塵強(qiáng)度變化、場(chǎng)景變化均具有一定的適應(yīng)性,與其他恢復(fù)方法相比,提出的方法在主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)。其次,在缺乏全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)支持的情況下,研究了一種基于下降圖像與參考圖像匹配的位置感知方法。在特征點(diǎn)檢測(cè)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)k-d樹的高維特征空間索引結(jié)構(gòu)模型及對(duì)應(yīng)的匹配查詢方法,避免了使用窮舉法匹配效率不高的問題,解決了k-d樹不適合用在大于20維的空間匹配查詢問題。在此基礎(chǔ)上,利用隨機(jī)抽樣最大似然一致估計(jì)法對(duì)匹配點(diǎn)進(jìn)行精匹配,利用精匹配的特征點(diǎn)計(jì)算下降圖像與參考圖像的轉(zhuǎn)換關(guān)系,進(jìn)而計(jì)算出探測(cè)器在參考圖像中的位置。仿真實(shí)驗(yàn)表明,文中研究的方法可以有效地確定探測(cè)器的位置。同時(shí),利用真實(shí)的火星軌道器拍攝的圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了方法的有效性。接著,為避免探測(cè)器著陸時(shí)落入撞擊坑內(nèi),研究了一種基于光學(xué)圖像的撞擊坑區(qū)域檢測(cè)與識(shí)別方法。針對(duì)撞擊坑的形狀特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的撞擊坑邊緣檢測(cè)方法。利用隨機(jī)森林的擴(kuò)展形式,即結(jié)構(gòu)隨機(jī)森林,對(duì)撞擊坑的邊緣進(jìn)行學(xué)習(xí)與檢測(cè),其中決策樹的訓(xùn)練采用遷移學(xué)習(xí)的方式在BSDS500數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練。對(duì)于檢測(cè)到的邊緣信息,設(shè)計(jì)了基于邊緣組相似度的撞擊坑候選區(qū)域提取方法與基于形態(tài)學(xué)方法的候選區(qū)域提取方法。對(duì)于得到的撞擊坑候選區(qū)域,分別研究了基于全局Gist特征的撞擊坑識(shí)別方法與基于深度學(xué)習(xí)AlexNet模型的識(shí)別方法。實(shí)驗(yàn)表明,文中研究的方法可以有效地檢測(cè)識(shí)別撞擊坑區(qū)域,與其他方法比較,文中提出的方法具有相對(duì)較高的檢測(cè)精度。再次,為避免探測(cè)器著陸時(shí)與較大巖石發(fā)生碰撞,研究了一種基于主、被動(dòng)圖像顯著性區(qū)域融合的巖石檢測(cè)方法。首先,采用基于圖像區(qū)域特征與邊緣特征進(jìn)行主、被動(dòng)圖像配準(zhǔn),配準(zhǔn)后,分別對(duì)光學(xué)圖像與深度圖求取顯著圖。對(duì)于光學(xué)圖像的顯著圖計(jì)算,采用分顏色、亮度、方向不同特征通道進(jìn)行計(jì)算,通過加權(quán)合并獲得顯著圖。對(duì)于深度圖的顯著圖計(jì)算,首先采用區(qū)域分割的方法計(jì)算初步顯著性圖;然后構(gòu)建能量函數(shù),采用最大流最小割的方法對(duì)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理,重復(fù)迭代,使顯著圖的估計(jì)逐步精確。將兩類顯著圖進(jìn)行融合,得到新的顯著圖,通過新顯著圖確定巖石障礙區(qū)域。最后,采用與撞擊坑相同的識(shí)別方法進(jìn)行巖石區(qū)域識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可以有效檢測(cè)出巖石所在區(qū)域。與其他經(jīng)常使用的顯著性檢測(cè)方法比較,該方法檢測(cè)效果較好,在準(zhǔn)確率上高于其他檢測(cè)方法。最后,為避免探測(cè)器著陸在超過容忍度的斜坡造成側(cè)滑或傾翻,提出了一種基于三維點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)的斜坡感知方法。將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后,設(shè)計(jì)了一種基于稀疏子空間聚類的坡度感知方法。將數(shù)據(jù)點(diǎn)空間劃分為坡面子空間與平面子空間,通過建立空間平面模型,計(jì)算子空間中點(diǎn)到平面的歐式距離。如果某點(diǎn)到平面的距離超過設(shè)定閾值,該點(diǎn)則被認(rèn)為是錯(cuò)誤聚類點(diǎn),將其從子空間中移除。正確聚類點(diǎn)用于平面擬合,根據(jù)擬合平面計(jì)算其法向量,法向量之間夾角在幾何關(guān)系上等于坡度角。通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)及真實(shí)火星地貌數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)表明,該方法可以對(duì)坡度進(jìn)行較準(zhǔn)確地估計(jì),與其他方法相比,該方法具有相對(duì)較小的偏差。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP212;TP391.41;V476.4
【部分圖文】：

圖 1. 1 探測(cè)器著陸過程星環(huán)境為探測(cè)器自主著陸帶來了巨大的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)�；鹦且恢币詠矶际侵懙攸c(diǎn)，著陸過程極為危險(xiǎn)，復(fù)雜的環(huán)境導(dǎo)致了超過 1/2 著陸任務(wù)失約 6 分鐘，但著陸困難重重，被稱為“恐怖的 6 分鐘”[11]。火星表面地、巖石、斜坡等地表障礙，對(duì)于未來火星探測(cè)任務(wù)希望達(dá)到的 100m 著無法實(shí)現(xiàn)[10]。火星大氣中含有大量的二氧化碳，其地表經(jīng)常出現(xiàn)強(qiáng)烈的沙球大，同時(shí)與地球距離遠(yuǎn)造成無法進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控，因此對(duì)火星的著陸探測(cè)的方法。在火星 13 次自主著陸探測(cè)任務(wù)中，有 5 次任務(wù)的失敗是在因雖然最終確定為某項(xiàng)設(shè)計(jì)缺陷或者儀器故障上，但進(jìn)一步分析其原因與對(duì)火星著陸過程中缺乏環(huán)境感知有密切聯(lián)系[12]。因此，強(qiáng)大的環(huán)境感主著陸過程中需要去研究并且具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。著陸任務(wù)回顧與存在的問題成功著陸任務(wù)回顧具有極高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，目前已經(jīng)成為世界各國(guó)的探測(cè)熱點(diǎn)。著陸探

圖 1. 2 基于融合規(guī)則的沙塵圖像增強(qiáng)方法.2 可以看出，該方法首先對(duì)初始受沙塵影響的圖像進(jìn)行預(yù)處理，采用校正，解決顏色偏移的問題；然后為解決亮度不均的問題，采用 校不同亮度的圖像；對(duì)每個(gè)圖像分別計(jì)算銳度權(quán)重圖、色度權(quán)重圖、顯權(quán)重圖進(jìn)行合并，得到標(biāo)準(zhǔn)化的權(quán)重圖；最后利用圖像 1、2 與標(biāo)準(zhǔn)化得到增強(qiáng)的圖像。這種方法存在的問題是對(duì)受沙塵影響降質(zhì)嚴(yán)重的圖場(chǎng)景圖像處理效果不好。文獻(xiàn)[43]提出一種基于顏色遷移的沙塵圖像取輸入圖像的 Gist 特征，通過 Gist 特征將輸入圖像與清晰圖像數(shù)據(jù)庫(kù)據(jù)庫(kù)中選擇與輸入圖像具有最高相似度的目標(biāo)圖像；然后利用顏色遷信息轉(zhuǎn)移到輸入圖像中；最后，利用對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡算恢復(fù)。該方法在一定程度上改善了受沙塵影響圖像的清晰度，但圖像像種類的限制，如數(shù)據(jù)庫(kù)圖像存在反射光、陰影、偏色等情況時(shí)，將。此外，采用圖像增強(qiáng)的方法對(duì)受沙塵影響圖像進(jìn)行處理的方法還有等。方法是基于物理模型的清晰圖像恢復(fù)方法，如文獻(xiàn)[46]提出的一種基

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文中使用了模板匹配與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合的方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)方法存在的問題是對(duì)崎嶇不平區(qū)域的撞擊坑識(shí)別效果不好，法去除大量的虛警。此外，還有大量使用組合方法進(jìn)行撞擊測(cè)方法是基于 DEM 數(shù)據(jù)的撞擊坑檢測(cè)方法�；谥鲃�(dòng)傳感，在一定程度上比光學(xué)圖像更適合用于撞擊坑檢測(cè)[77]，如文據(jù)代替光學(xué)圖像的撞擊坑檢測(cè)方法。該方法的輸入為 DEM 述，曲率閾值地圖將地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖，在二進(jìn)制圖擊坑，其計(jì)算流程如圖 1.3 所示。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2872555