月球探测器视觉导航技术研究

论文摘要

月球探测器的自主导航方法是探月工程的核心技术之一。本课题来源于国家自然科学基金重点资助项目“月球探测系统的建模、传感、导航和控制基础理论及关键技术研究”。目前,基于计算机视觉的导航方法,已成为深空探测领域的研究热点之一。本文对月球探测器在软着陆阶段的自主视觉导航技术进行了深入的研究。论文的主要研究内容包括:针对月面探测器在进入软着陆阶段时所要完成的精确初始定位任务,提出了一种基于月球地貌匹配的探测器的初始定位方法。在探测器开始下降时,与探测器固联的CCD相机所拍摄的月面图像相对于图像数据库存在较大的旋转和缩放。采用Scale Invariant Feature Transform(SIFT)算法提取月球地貌特征并在图像数据库中进行匹配,克服了存在较大的旋转和缩放的图像的匹配问题。利用线性的2D/3D位姿估计方法计算位姿的估计。仿真结果表明该方法可以有效的解决月球探测器的精确初始定位问题。在月球探测器的动力下降阶段,由于导航相机所拍摄的图像在相邻时刻之间的相对运动较大,传统的特征跟踪方法无法同时满足精度和鲁棒性的要求。针对上述问题,提出了基于多尺度光流法的相对运动估计算法。使用基于图像金字塔的多尺度光流法,在图像间相对运动较大的情况下实现了对特征点的可靠跟踪,估计出探测器在下落过程中不同时刻之间的相对刚体运动参数。为了进一步的提高危险区域识别可靠性,提出了一种通过二维图像分析进行障碍物提取的方法。利用图像分割的方法获得图像中由障碍物形成的阴影区域,并对基于阈值的分割方法和基于聚类的分割方法进行了仿真对比。使用椭圆匹配的方法匹配岩石的阴影区域,获得岩石的尺寸和位置。最后结合纹理分析的方法得到完整的危险区域分布图,用于探测器的危险回避。仿真的结果可以证明本文提出的危险区域识别算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 月球探测器的自主导航方法
• 1.3 软着陆中的视觉导航方法
• 1.4 视觉导航方法的发展现状
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第2章 探测器动力下降段的初始定位
• 2.1 引言
• 2.2 特征点匹配
• 2.2.1 二维图像的匹配
• 2.2.2 SIFT特征匹配方法
• 2.2.3 基于SIFT方法的月面特征点匹配
• 2.3 利用匹配点进行姿态位置估计
• 2.3.1 单透视摄像机的针孔模型
• 2.3.2 位姿估计的方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 探测器动力下降段的运动估计
• 3.1 引言
• 3.2 特征点跟踪
• 3.2.1 使用光流法进行特征跟踪
• 3.2.2 多尺度光流法
• 3.2.3 多尺度光流法的仿真结果
• 3.3 通过特征跟踪的结果估计相对运动
• 3.3.1 估计本质矩阵
• 3.3.2 计算平移和旋转矩阵
• 3.4 相对运动估计的仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 探测器动力下降段的障碍物检测
• 4.1 引言
• 4.2 使用图像分割获取阴影区域
• 4.2.1 基于阈值分割的阴影提取方法
• 4.2.2 基于聚类分割的阴影提取方法
• 4.3 障碍物的定位
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢