基于图像信息的小天体参数估计及探测器自主导航研究

论文摘要

对未知领域的探索,是人类社会发展进步的不懈追求。随着科学技术的进步与经济的发展,小行星和彗星等小天体的探测已经成为新世纪深空探测的热点之一。利用小天体探测任务中拍摄的图像,不但能够较为直观地得到目标天体的形状结构及地表特征,而且可以对探测器进行自主光学导航。如何利用图像信息获得更多的科学观测及导航信息是小天体探测领域的关键技术之一。本学位论文结合国家863计划项目“小行星附着与地面演示验证系统”、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”,深入研究了基于图像信息的小天体参数估计与探测器自主导航算法,论文的主要研究内容包括:首先,针对巡航段、接近段等深空环境中拍摄图像的各种噪声干扰,对图像进行辐射标定、几何标定以及光散度标定。利用双边滤波算法取代传统的中值滤波对深空图像进行噪声消除,在保留天体边缘信息的同时,消除了高斯等噪声影响。采用最小外接椭圆法进行形心确定,在此基础上设计了接近段目标天体进行跟踪算法,并提出了利用计算外接椭圆旋转变化来确定小天体自旋周期的算法。其次,提出了仅利用绕飞图像和一个距离信息进行小天体三维模型建立并进行物理参数估计的算法。针对光照、旋转等影响因素,利用PCA-SIFT算法对序列图像进行特征点的提取、匹配,避免了人工匹配效率低的缺点。根据窄视场相机的特点,用弱透视近似透视投影,并利用因式分解算法重构小天体模型,同时估计探测器的位置、姿态。在得到的表面特征点三维坐标的基础上,利用一种快速有效的三角剖分算法对小天体三维模型进行描述,并将对体积的积分转化为对三角网格顶点的计算,得到小天体的体积、表面积、质心、转动惯量、惯量主轴、引力势以及引力场分布等基本物理参数。再次,给出了利用尺度不变特征点作为导航陆标进行探测器自主着陆导航的算法。着陆段初期,将局部图像提取的特征点与绕飞段建立的特征点数据库进行匹配,结合小天体三维模型,确定探测器在小天体固连坐标系下的位置、姿态等信息;在着陆末端,利用拼接图像建立虚拟导航地图,即使在没有观测到目标着陆点的情况下,也可以确定探测器相对于着陆点坐标系的6DOF状态。另一方面,将特征匹配导航算法与惯导信息进行融合,既克服特征点匹配算法计算量大、可能无法匹配的缺点,又减小了惯导累积误差的影响,为精确着陆导航提供了保障。然后,为进一步提高自主导航的稳定性和精度,给出了一种快速相邻帧间状态估计的算法。利用局部窗口极值的快速搜索算法提取出不同尺度空间的特征点,提高了匹配的实时性;同时提出一种自适应特征点采样选取算法,对采样块的大小及分布进行选择,避免了计算的冗余性。在此基础上,通过建立本质空间中的状态方程,利用极线几何约束设计IEKF滤波器,对探测器进行相对位置、姿态的估计。最后,提出了利用末端着陆图像进行地表形态识别,提取障碍区域并自主选择安全着陆点的算法。对图像阴影、光亮区域利用高低帽变换进行分割,并消除噪声影响;对非阴影区域分别采用多视图几何迭代算法和正投影因式分解算法进行地表识别,分析了不同算法的应用范围及重构精度。在确定障碍的基础上,针对不同障碍的分布情况分别采用遗传算法和数学形态法进行安全着陆点的自主选择。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.2 小天体探测研究概述
• 1.2.1 近期小天体探测任务综述
• 1.2.2 小天体探测任务的主要困难与挑战
• 1.3 小天体模型重构及物理属性估计研究现状
• 1.3.1 小天体三维模型重构技术概述
• 1.3.2 小天体物理属性估计算法概述
• 1.4 小天体探测器自主导航研究现状
• 1.4.1 陆标选取技术研究现状
• 1.4.2 自主导航算法研究现状
• 1.4.3 基于运动估计的导航算法概述
• 1.5 地表形态及障碍识别研究现状
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 小天体探测图像处理及观测信息提取
• 2.1 引言
• 2.2 小天体探测图像处理技术
• 2.2.1 图像处理流程
• 2.2.2 深空图像标定技术研究
• 2.2.3 最小椭圆形心确定算法
• 2.2.4 目标天体跟踪算法
• 2.2.5 小天体自旋周期估计算法
• 2.2.6 地表特征点提取算法
• 2.3 观测模型建立
• 2.3.1 相机观测模型
• 2.3.2 图像雅可比矩阵
• 2.3.3 观测信息提取方式
• 2.4 本章小结
• 第3章 小天体模型参数估计及绕飞段探测器自主导航
• 3.1 引言
• 3.2 帧间特征点提取匹配算法
• 3.3 小天体三维模型重构及探测器自主导航
• 3.3.1 序列图像观测模型
• 3.3.2 弱透视近似透视投影变换
• 3.3.3 基于因式分解算法的三维重构及运动估计
• 3.3.4 丢失及新增特征点处理
• 3.3.5 不确定性分析
• 3.3.6 仿真结果及分析
• 3.4 基于散乱点三角剖分的小天体物理参数估计
• 3.4.1 快速三维散乱点三角剖分算法
• 3.4.2 小天体物理参数估计
• 3.4.3 仿真结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于特征匹配的小天体着陆导航算法
• 4.1 引言
• 4.2 导航地图及特征点数据库建立
• 4.2.1 全景地图及特征点数据库建立
• 4.2.2 基于图像拼接的虚拟导航地图
• 4.2.3 特征点匹配及坐标映射
• 4.3 基于特征匹配的自主着陆导航
• 4.3.1 三视线矢量导航算法
• 4.3.2 着陆轨迹规划及拍照策略
• 4.4 光学/惯性组合导航算法
• 4.5 仿真结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于IEKF的快速特征点跟踪导航算法
• 5.1 引言
• 5.2 快速多尺度特征点匹配算法
• 5.2.1 多尺度Harris 特征点提取
• 5.2.2 快速局部区域极值计算
• 5.2.3 特征点描述符确定
• 5.2.4 特征提取匹配算法结果比较
• 5.3 基于自适应采样策略的特征点选取算法
• 5.3.1 不同尺度特征点分布及采样块大小的选取
• 5.3.2 采样块位置选取及个数控制
• 5.3.3 仿真结果及分析
• 5.4 基于IEKF 的特征点跟踪导航
• 5.4.1 观测模型及本质空间中的状态方程
• 5.4.2 极线几何约束
• 5.4.3 本质空间的运动表示
• 5.4.4 利用IEKF 进行状态估计
• 5.5 仿真结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 利用图像信息进行地形识别及着陆点确定
• 6.1 引言
• 6.2 明暗区域地表图像分割
• 6.2.1 基于灰度形态学的障碍分割
• 6.2.2 障碍噪声滤除
• 6.2.3 阴影区域修正
• 6.3 利用多视图进行三维地表形态重构
• 6.3.1 基于多视图几何迭代算法的地表形态重构
• 6.3.2 算法比较及仿真分析
• 6.4 安全着陆点选择算法
• 6.4.1 障碍的几何描述
• 6.4.2 最大空白圆的计算
• 6.4.3 基于遗传算法的安全着陆点选择
• 6.4.4 基于数学形态学的安全着陆点选择算法
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历