行星着陆器自主导航与控制方法研究

论文摘要

探测器着陆行星表面进行科学考察可以获得丰厚的科学回报,但由于深空探测目标距地球较远,着陆天体的过程持续时间短,因此对探测器的自主导航控制技术提出了新的挑战。本学位论文结合863计划项目“深空探测自主技术与仿真演示系统”,国家自然科学基金项目“深空探测自主导航理论与方法研究”等课题,针对深空探测着陆段的任务特点,对自主导航制导控制系统所涉及的关键技术进行深入的研究。主要研究内容包括以下几个方面:首先对光学导航所涉及的图像处理问题进行了研究。根据深空探测着陆段导航图像的特点,发展了特征点检测与匹配算法,并分析了匹配算法在噪声干扰及光照变化条件下的性能。针对以陨石坑作为导航路标的视觉导航算法,提出了一种基于边缘信息的陨石坑检测方法。借助改进的边缘检测算法在图像中获得可能的陨石坑边缘,为提高识别的准确率,减少曲线拟合的计算负担,通过张量投票去除噪声及曲线外的点,由随机采样一致的方法拟合椭圆曲线,确定陨石坑位置和半长轴等参数。接着研究了基于对极约束原理的帧间运动估计方法,对采用该算法进行探测器状态确定的效果进行了分析。针对探测器距离天体表面较远,特征点近似分布在同一个平面内的特点,提出了利用单应矩阵确定探测器相对位置和姿态的自主导航方案。该算法通过跟踪特征点位置确定单应矩阵,结合测距信息得到全部六自由度运动参数。考虑到特征点实际位置并不完全满足平面假设,通过数值方法分析了算法应用的合理性。为了克服特征点匹配误差和导航路标位置的不确定性带来的影响,研究了基于递归估计的自主导航算法。通过观测导航路标的视线方向,在探测器动力学约束下,借助导航滤波器估计探测器的位置和姿态,同时重构路标的位置。针对绝对导航计算量大,无法连续给出状态估计的问题,提出了两种相对运动估计和陨石坑匹配相结合的绝对导航算法。第一种算法通过观测两个陨石坑视线方向夹角,根据其位置构建两次拍照时探测器所在的位置面,进而确定由递归算法给出的探测器相对运动幅值和绝对位置。第二种算法借助相对运动估计给出的帧间旋转运动,利用两次观测到的陨石坑边缘曲线方程恢复探测器相对陨石坑的状态。然后研究了深空探测着陆段制导与控制策略。针对深空探测目标动力学环境,建立了探测器轨道和姿态动力学模型。为了完成障碍规避等任务,研究了基于模糊预测的下降控制律。分析了下降过程中动力学模型的非线性问题,并发展了多项式制导策略。对于目标引力场缺乏先验信息和受到导航方法制约而带来的引力方向在特征点坐标系下不确定等问题,设计了自适应鲁棒控制器控制探测器跟踪规划下降轨迹。最后在上述研究成果基础上,建立了着陆段自主光学导航算法的半实物仿真实验系统。研究了系统的软硬件组成,利用装有三轴转台的车体和沙盘分别模拟探测器六自由度运动和天体表面地型,借助转台上安装的光学相机拍摄导航图像。分析了系统的工作原理,并通过该系统验证了部分自主光学导航算法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 深空探测软着陆任务研究综述
• 1.2.1 自主导航算法研究概述
• 1.2.2 制导与控制算法研究概述
• 1.3 自主导航系统结构
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 特征跟踪及自然路标识别
• 2.1 引言
• 2.2 特征点的检测与跟踪
• 2.2.1 特征点的检测
• 2.2.2 特征点跟踪
• 2.3 自然路标识别
• 2.3.1 陨石坑边缘提取
• 2.3.2 张量投票
• 2.3.3 陨石坑参数估计
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于批处理的相对导航算法
• 3.1 引言
• 3.2 自主导航算法结构
• 3.3 基于对极约束的探测器运动估计
• 3.3.1 基础矩阵的估计
• 3.3.2 误匹配点的剔除
• 3.3.3 非线性算法
• 3.3.4 相对运动参数
• 3.3.5 数学仿真与分析
• 3.4 基于单应矩阵的运动估计
• 3.4.1 探测器运动参数估计原理
• 3.4.2 平面假设误差分析
• 3.4.3 数学仿真与分析
• 3.5 着陆点选择与评估
• 3.5.1 着陆备选区域
• 3.5.2 着陆点平面坡度估计
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于递归估计的绝对导航算法
• 4.1 引言
• 4.2 基于图像序列的递归导航算法
• 4.2.1 坐标系及探测器运动模型
• 4.2.2 导航滤波器
• 4.2.3 数学仿真与分析
• 4.3 自然路标辅助的自主导航算法
• 4.3.1 递归确定相对运动参数
• 4.3.2 相对运动比例系数的确定
• 4.3.3 数学仿真与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 着陆段制导与控制策略研究
• 5.1 引言
• 5.2 着陆段的动力学模型
• 5.2.1 天体固连坐标系下的动力学方程
• 5.2.2 特征点坐标系下的动力学模型
• 5.3 障碍规避控制律
• 5.3.1 控制律设计
• 5.3.2 预测模型的简化
• 5.3.3 数学仿真与分析
• 5.4 动力下降段动力学模型线性化
• 5.5 探测器着陆自适应鲁棒控制
• 5.5.1 标称轨道设计
• 5.5.2 自适应鲁棒控制器
• 5.5.3 数学仿真与分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 着陆段自主导航算法半物理仿真与分析
• 6.1 引言
• 6.2 自主导航算法半物理仿真系统
• 6.2.1 半物理仿真系统硬件组成
• 6.2.2 半物理仿真系统软件组成
• 6.3 自主导航算法半物理仿真结果与分析
• 6.3.1 图像处理及特征跟踪
• 6.3.2 基于单应矩阵的运动估计半物理仿真
• 6.3.3 相对运动递归估计半物理仿真
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历