本發(fā)明涉及一種基于多源特征的著陸器視覺(jué)導(dǎo)航方法，屬于深空探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

著陸探測(cè)及采樣返回是未來(lái)深空探測(cè)的主要發(fā)展方向。未來(lái)的小天體及火星探測(cè)任務(wù)都要求探測(cè)器具備在科學(xué)價(jià)值較高的區(qū)域精確定點(diǎn)著陸的能力。而目標(biāo)天體距離地球較遠(yuǎn)，通訊時(shí)延嚴(yán)重，這就要求探測(cè)器具備自主導(dǎo)航的能力。同時(shí)，目標(biāo)天體環(huán)境的先驗(yàn)信息不足、環(huán)境擾動(dòng)和動(dòng)力學(xué)特性時(shí)變等不確定性對(duì)自主導(dǎo)航系統(tǒng)提出了更高的要求。

目前著陸過(guò)程中主要采用基于慣性測(cè)量單元imu航位遞推的導(dǎo)航方法，但該方法無(wú)法對(duì)初始偏差進(jìn)行修正，且慣性測(cè)量單元存在隨機(jī)漂移和誤差，隨著時(shí)間的累積誤差會(huì)逐漸擴(kuò)散，難以滿足高精度導(dǎo)航的要求。由于目標(biāo)天體表面存在大量的角點(diǎn)特征，美國(guó)火星探測(cè)漫游者利用下降著陸段獲取的序列圖像，通過(guò)幀間圖像的角點(diǎn)檢測(cè)與匹配對(duì)著陸器的相對(duì)速度進(jìn)行估計(jì)，但該方法沒(méi)有獲得著陸器的絕對(duì)位置信息。針對(duì)上述單一導(dǎo)航方法存在的不足，在先技術(shù)(參見(jiàn)mourikisai,trawnyn,roumeliotissi,etal.vision-aidedinertialnavigationforspacecraftentry,descent,andlanding[j].ieeetransactionsonrobotics,vol.25,no.2,2009,pp.264-280.)提出了基于慣性測(cè)量和特征點(diǎn)視線信息融合的自主導(dǎo)航方案。著陸器首先通過(guò)檢測(cè)和匹配特征點(diǎn)獲取其在天體固連坐標(biāo)系下的絕對(duì)位置，進(jìn)而完成視覺(jué)導(dǎo)航，然后利用慣導(dǎo)遞推更新視覺(jué)導(dǎo)航采樣間隔內(nèi)的著陸器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。但特征點(diǎn)視線測(cè)量信息易受噪聲影響，且識(shí)別特征點(diǎn)的絕對(duì)位置信息比較困難。而隕石坑作為天體表面常見(jiàn)的視覺(jué)特征，具有一致的輪廓和清晰的幾何形狀，可以用于絕對(duì)定位。因此，利用隕石坑邊緣曲線信息，并結(jié)合角點(diǎn)特征對(duì)著陸器的絕對(duì)水平位置進(jìn)行估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)著陸過(guò)程的高精度導(dǎo)航，是需要進(jìn)一步解決的關(guān)鍵技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決在下降著陸段著陸器絕對(duì)水平位置的估計(jì)的問(wèn)題，提供一種基于多源特征的著陸器視覺(jué)導(dǎo)航方法。該方法充分利用天體表面的隕石坑特征和角點(diǎn)特征，提高了算法穩(wěn)定性，保證著陸器的精確著陸。

本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種基于多源特征的著陸器視覺(jué)導(dǎo)航方法，包括如下步驟：

步驟1：光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)模型建立

采用的導(dǎo)航相機(jī)模型為理想針孔模型。特征點(diǎn)xs在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下位置坐標(biāo)為(xs,ys,zs,1)^t，特征點(diǎn)xs對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)為ux＝(ux,vx,1)^t，則導(dǎo)航相機(jī)模型可由特征點(diǎn)xs與特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)ux之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)描述，即：

ρux＝k[r|t]xs(1)

其中ρ為非零常數(shù)因子，r為3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣；t為3×1的平移向量，且旋轉(zhuǎn)矩陣的三個(gè)列向量為單位正交向量，矩陣[r|t]3×4為r和t的組合形式，k為導(dǎo)航相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，滿足：

式中f為導(dǎo)航相機(jī)焦距。

步驟2：基于隕石坑特征的著陸器絕對(duì)位姿估計(jì)

在著陸初始階段，導(dǎo)航相機(jī)觀測(cè)范圍較大，隕石坑特征較明顯，首先利用隕石坑作為視覺(jué)特征進(jìn)行著陸器位姿估計(jì)。

當(dāng)著陸器在位置cτ時(shí)，其中τ∈{1，2，3，…}，隕石坑全局位置信息已知，給定一幅下降圖像中m個(gè)成功檢測(cè)并與基準(zhǔn)地圖匹配的隕石坑，m≥3。結(jié)合步驟一中的導(dǎo)航相機(jī)模型，首先利用下降圖像和基準(zhǔn)地圖中任意兩對(duì)成功匹配的隕石坑，在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下建立著陸器絕對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程為：

(gl^-1gk)w＝w(cl^-1ck)(3)

式中k<l且∈{1,2,…,m}，ck和cl分別表示兩個(gè)隕石坑在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下邊緣橢圓曲線，gk和gl分別表示兩個(gè)隕石坑像的邊緣橢圓曲線，矩陣w表示著陸器絕對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，矩陣w滿足：

其中：向量r1和r2為絕對(duì)姿態(tài)的列向量，且向量表示著陸器在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。

結(jié)合著陸器絕對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程(3)，利用矩陣的克羅內(nèi)克積建立關(guān)于著陸器絕對(duì)位姿的線性方程：

f9m(m-1)/2×9w＝0(5)

其中,滿足矩陣i為3×3的單位矩陣，向量w為矩陣w的向量化形式，即w＝(w1,…,w9)^t。

由式(5)可以得到w，進(jìn)而可以得到著陸器的絕對(duì)位置和姿態(tài)

步驟3：基于隕石坑特征的著陸器相對(duì)位姿估計(jì)

在著陸初始階段，當(dāng)著陸器在某一位置時(shí)隕石坑未能有效識(shí)別，即隕石坑全局位置信息未知，在著陸器本體坐標(biāo)系下建立著陸器相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程。給定下降圖像中n個(gè)成功檢測(cè)并與相鄰圖像匹配的隕石坑，且n≥3。則利用兩幅相鄰圖像中任意兩對(duì)成功匹配的隕石坑建立著陸器在兩個(gè)不同位置間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程為：

其中，i＜j且∈{1,2,…,n}；矩陣ai，aj分別表示著陸器在位置cλ-1時(shí)兩個(gè)隕石坑像的邊緣橢圓曲線，其中λ＝2,3,…；矩陣bi，βj分別表示著陸器在位置cλ時(shí)兩個(gè)隕石坑像的邊緣橢圓曲線；且矩陣ai,aj,bi,bj都為3×3的非奇異對(duì)稱矩陣；矩陣h為3×3單應(yīng)矩陣，滿足：

式中向量表示著陸器在不同位置間的相對(duì)位置；矩陣表示著陸器在不同位置間的相對(duì)姿態(tài)；表示天體表面在相機(jī)坐標(biāo)系下的單位法向量；表示天體表面距離相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)的垂直距離。

結(jié)合著陸器不同位置間相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程(6)，利用矩陣的克羅內(nèi)克積建立關(guān)于著陸器相對(duì)位姿的線性方程：

e9n(n-1)/2×9h＝0(8)

其中,滿足矩陣i為3×3的單位矩陣，向量h為單應(yīng)矩陣h的向量化形式，即h＝(h1,…,h9)^t。給定圖像坐標(biāo)系下成功匹配的隕石坑邊緣橢圓曲線方程，可以得到單應(yīng)矩陣h。然后利用奇異值分解得到h＝usv^t，其中uu^t＝vv^t＝i3×3，s＝diag(s1,s2,s3)。結(jié)合激光測(cè)距儀輸出的高度信息，可以得到著陸器在不同位置間的相對(duì)位姿為：

其中ω為比例因子，u1和u3為矩陣u的列向量，

式中，η＝det(u)det(v)；

步驟4：基于角點(diǎn)特征的著陸器著陸末端相對(duì)水平位置估計(jì)

由于受導(dǎo)航相機(jī)視場(chǎng)大小的限制，在著陸末端目標(biāo)天體表面的隕石坑特征不能有效觀測(cè)，而角點(diǎn)特征明顯，易于獲取。在著陸器本體坐標(biāo)系下建立基于角點(diǎn)特征的著陸器不同位置間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程為：

其中e＝t^p×r^p，向量t^p和矩陣r^p分別表示著陸器不同位置間的相對(duì)位置和姿態(tài)，姿態(tài)信息r^p可由陀螺儀給出；up＝[up,vp,1]^t和u′p＝[u′p,v′p,1]^t分別表示角點(diǎn)p在相鄰圖像中的像點(diǎn)。結(jié)合測(cè)距儀輸出的距離信息，利用2對(duì)及以上的匹配特征點(diǎn)可以得到著陸器在著陸末端的相對(duì)水平位置t^p。

步驟5：基于隕石坑特征和角點(diǎn)特征的著陸器絕對(duì)水平位置估計(jì)

利用步驟2中得到的著陸器絕對(duì)位姿、步驟3中得到的著陸器相對(duì)位姿以及步驟4得到的著陸器著陸末端相對(duì)水平位置，通過(guò)不同坐標(biāo)系間的變換，對(duì)著陸器在整個(gè)下降著陸段的絕對(duì)水平位置進(jìn)行估計(jì)，具體求解過(guò)程如下：

1、利用步驟2和步驟3中得到的基于隕石坑特征的著陸器絕對(duì)位姿和相對(duì)位姿，通過(guò)如下變換得到著陸器在任一位置cλ處的絕對(duì)位姿，實(shí)現(xiàn)著陸器絕對(duì)位姿的連續(xù)估計(jì)；

2、將利用隕石坑特征最終得到的著陸器絕對(duì)位置和姿態(tài)作為初始條件，其中用于校準(zhǔn)陀螺儀，在設(shè)定高度上結(jié)合步驟4中得到的基于角點(diǎn)特征的著陸器相對(duì)水平位置信息和陀螺儀輸出的姿態(tài)信息r^p，通過(guò)如下變換可以得到著陸器在著陸末端的絕對(duì)水平位置，

其中t^s表示著陸器在著陸末端位置的絕對(duì)位置。

因此，由和t^s可以得到著陸器在整個(gè)下降著陸段的絕對(duì)水平位置，實(shí)現(xiàn)著陸器的實(shí)時(shí)導(dǎo)航，從而為精確定點(diǎn)著陸奠定基礎(chǔ)。

有益效果

1、本發(fā)明充分利用了隕石坑特征絕對(duì)位置信息已知和著陸末端角點(diǎn)特征信息豐富的優(yōu)點(diǎn)，避免了著陸末端隕石坑特征數(shù)目不足以進(jìn)行導(dǎo)航定位，以及角點(diǎn)特征不能用于絕對(duì)位置估計(jì)的問(wèn)題，提高了導(dǎo)航算法的穩(wěn)定性；

2、本發(fā)明利用隕石坑邊緣曲線信息進(jìn)行著陸器位姿估計(jì)，與特征視線信息方法相比，抗噪聲干擾能力強(qiáng)，估計(jì)精度高；

3、本發(fā)明利用簡(jiǎn)單的矩陣運(yùn)算，直接對(duì)著陸器的絕對(duì)水平位置進(jìn)行解算，解算速度快，可以滿足下降著陸段導(dǎo)航實(shí)時(shí)性要求。

附圖說(shuō)明

圖1為基于多源特征的著陸器視覺(jué)導(dǎo)航策略流程圖；

圖2為本發(fā)明提出的視覺(jué)導(dǎo)航方法性能圖。

具體實(shí)施方式

為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明采用火星下降著陸段基于多源特征的著陸器視覺(jué)導(dǎo)航方法為實(shí)例分析，該導(dǎo)航方法測(cè)量參數(shù)都具有較大不確定性，更能體現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)用性。本實(shí)例的具體實(shí)施方法如下：

一種基于多源特征的著陸器視覺(jué)導(dǎo)航方法，具體步驟如下：

步驟1：光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)模型建立

采用的導(dǎo)航相機(jī)模型為理想針孔模型。特征點(diǎn)xs在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下位置坐標(biāo)為(xs,ys,zs,1)^t，特征點(diǎn)xs對(duì)應(yīng)的圖像坐標(biāo)為ux＝(ux,vx,1)^t，則導(dǎo)航相機(jī)模型可由特征點(diǎn)xs與特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)ux之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)描述，即：

ρux＝k[r|t]xs(15)

其中ρ為非零常數(shù)因子，r為3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣；t為3×1的平移向量，且旋轉(zhuǎn)矩陣的三個(gè)列向量為單位正交向量，矩陣[r|t]3×4為r和t的組合形式，k為導(dǎo)航相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣，滿足：

式中f為導(dǎo)航相機(jī)焦距。

步驟2：基于隕石坑特征的著陸器絕對(duì)位姿估計(jì)

在火星著陸初始階段，導(dǎo)航相機(jī)觀測(cè)范圍較大，隕石坑特征較明顯，首先利用隕石坑作為視覺(jué)特征進(jìn)行著陸器位姿估計(jì)。

當(dāng)著陸器在位置cτ時(shí)，其中τ∈{1，2，3，…}，隕石坑全局位置信息已知，給定一幅下降圖像中4個(gè)成功檢測(cè)并與基準(zhǔn)地圖匹配的隕石坑。結(jié)合步驟一中的導(dǎo)航相機(jī)模型，首先利用下降圖像和基準(zhǔn)地圖中任意兩對(duì)成功匹配的隕石坑，在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下建立著陸器絕對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程為：

(gl^-1gk)w＝w(cl^-1ck)(17)

式中k<l且∈{1,2,3,4}，ck和cl分別表示兩個(gè)隕石坑在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下邊緣橢圓曲線，gk和gl分別表示兩個(gè)隕石坑像的邊緣橢圓曲線，矩陣w表示著陸器絕對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，矩陣w滿足：

其中：向量r1和r2為絕對(duì)姿態(tài)的列向量，且向量表示著陸器在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。

結(jié)合著陸器絕對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程(17)，利用矩陣的克羅內(nèi)克積建立關(guān)于著陸器絕對(duì)位姿的線性方程：

f54×9w＝0(19)

其中,滿足矩陣i為3×3的單位矩陣，向量w為矩陣w的向量化形式，即w＝(w1,…,w9)^t。

由式(19)可以得到w，進(jìn)而可以得到著陸器的絕對(duì)位置和姿態(tài)

步驟3：基于隕石坑特征的著陸器相對(duì)位姿估計(jì)

在火星著陸初始階段，當(dāng)著陸器在某一位置時(shí)，隕石坑未能有效識(shí)別，即隕石坑全局位置信息未知，在著陸器本體坐標(biāo)系下建立著陸器相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程。給定下降圖像中4個(gè)成功檢測(cè)并與相鄰圖像匹配的隕石坑。則利用兩幅相鄰圖像中任意兩對(duì)成功匹配的隕石坑建立著陸器在兩個(gè)不同位置間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程為：

其中，i＜j且∈{1,2,3,4}；矩陣ai，aj分別表示著陸器在位置cλ-1時(shí)兩個(gè)隕石坑像的邊緣橢圓曲線，其中λ＝2,3,…；矩陣bi，βj分別表示著陸器在位置cλ時(shí)兩個(gè)隕石坑像的邊緣橢圓曲線；且矩陣ai,aj,bi,bj都為3×3的非奇異對(duì)稱矩陣；矩陣h為3×3單應(yīng)矩陣，滿足：

式中向量表示著陸器在不同位置間的相對(duì)位置；矩陣表示著陸器在不同位置間的相對(duì)姿態(tài)；表示火星表面在相機(jī)坐標(biāo)系下的單位法向量；表示火星表面距離相機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)的垂直距離。

結(jié)合著陸器不同位置間相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程(20)，利用矩陣的克羅內(nèi)克積建立關(guān)于著陸器相對(duì)位姿的線性方程：

e54×9h＝0(22)

其中,滿足矩陣i為3×3的單位矩陣，向量h為單應(yīng)矩陣h的向量化形式，即h＝(h1,…,h9)^t。給定圖像坐標(biāo)系下成功匹配的隕石坑邊緣橢圓曲線方程，可以得到單應(yīng)矩陣h。然后利用奇異值分解得到h＝usv^t，其中uu^t＝vv^t＝i3×3，s＝diag(s1,s2,s3)。結(jié)合激光測(cè)距儀輸出的高度信息，可以得到著陸器在不同位置間的相對(duì)位姿為：

其中ω為比例因子，u1和u3為矩陣u的列向量，

式中，η＝det(u)det(v)；

步驟4：基于角點(diǎn)特征的著陸器著陸末端相對(duì)水平位置估計(jì)

由于受導(dǎo)航相機(jī)視場(chǎng)大小的限制，在著陸末端火星表面的隕石坑特征不能有效觀測(cè)，而角點(diǎn)特征明顯，易于獲取。在著陸器本體坐標(biāo)系下建立基于角點(diǎn)特征的著陸器不同位置間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)約束方程為：

其中e＝t^p×r^p，向量t^p和矩陣r^p分別表示著陸器不同位置間的相對(duì)位置和姿態(tài)，姿態(tài)信息r^p可由陀螺儀給出；up＝[up,vp,1]^t和u′p＝[u′p,v′p,1]^t分別表示角點(diǎn)p在相鄰圖像中的像點(diǎn)。結(jié)合測(cè)距儀輸出的距離信息，利用5對(duì)成功匹配的特征點(diǎn)可以得到著陸器在著陸末端的相對(duì)水平位置t^p。

步驟5：基于隕石坑特征和角點(diǎn)特征的著陸器絕對(duì)水平位置估計(jì)

利用步驟2、步驟3以及步驟4中的結(jié)果，通過(guò)不同坐標(biāo)系間的變換，對(duì)著陸器在整個(gè)下降著陸段的絕對(duì)水平位置進(jìn)行估計(jì)，具體求解過(guò)程如下：

1、利用步驟2和步驟3中得到的基于隕石坑特征的著陸器絕對(duì)位姿和相對(duì)位姿，通過(guò)如下變換得到著陸器在任一位置cλ處的絕對(duì)位姿，實(shí)現(xiàn)著陸器絕對(duì)位姿的連續(xù)估計(jì)；

2、將利用隕石坑特征最終得到的著陸器絕對(duì)位置和姿態(tài)作為初始條件，其中用于校準(zhǔn)陀螺儀，在1000m高度上結(jié)合步驟4中得到的基于角點(diǎn)特征的著陸器相對(duì)水平位置信息和陀螺儀輸出的姿態(tài)信息r^p，通過(guò)如下變換可以得到著陸器在著陸末端的絕對(duì)水平位置，

其中t^s表示著陸器在著陸末端時(shí)的絕對(duì)位置。

著陸器初始高度為5000m，從5000m高度到1000m高度利用隕石坑特征對(duì)著陸器絕對(duì)水平位置進(jìn)行估計(jì)，其中每隔600m隕石坑的全局位置成功識(shí)別一次，即可以獲得著陸器的絕對(duì)位姿；從1000m高度至最終著陸利用角點(diǎn)特征對(duì)著陸器絕對(duì)水平位置t^s進(jìn)行估計(jì)，最終得到著陸器的絕對(duì)水平位置估計(jì)誤差曲線，具體仿真參數(shù)如表1所示。著陸器絕對(duì)水平位置的估計(jì)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，本發(fā)明所獲得的著陸器絕對(duì)水平位置估計(jì)誤差隨著陸器高度的降低逐漸收斂，最終x方向位置誤差為5.3m，y方向位置誤差為4.2m，滿足著陸精度要求。

表1.仿真參數(shù)