深空探测着陆过程序列图像自主导航综述

基于序列图像的自主导航作为未来深空探测地外天体精确定点着陆任务的关键技术,是目前深空探测技术的重点发展方向之一.针对未来深空探测地外天体精确着陆自主导航的需求,阐述了发展深空探测着陆过程序列图像自主导航的必要性.首先,分别从主动成像和被动成像两个方向介绍了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航研究现状;然后,总结并分析了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航涉及到的关键技术;最后,根据关键技术分析给出了基于序列图像的深空探测着陆过程自主导航研究目前存在的主要问题并对其后续发展进行了展望.     

深空着陆器对偶控制策略

以深空着陆任务为背景,针对视觉导航过程中由于有限观测能力引起的估计性能不佳问题,研究了一种深空着陆器对偶控制策略.该策略将导航估计不确定性引入系统状态,给出包含与估计方差相关的二次型性能指标评价方法,利用着陆状态可观测性与着陆轨迹之间的耦合特性,合理优化观测轨迹,克服着陆过程中可观测性缺乏问题,大幅度提高系统的导航估计性能,使深空着陆器导航制导控制整体性能得到保障.     

脉冲星导航发展概要

随着空间探测任务的纵向深度发展,基于地基设备和操作的现有导航模式无法胜任未来的任务需求,利用遥远宇宙中脉冲星辐射信号信息的脉冲星导航为深空飞行器的精密定轨开辟了新的发展方向.文章介绍了脉冲星成因及辐射机制,在分析现有通用导航模式特点及其在深空任务中的局限性的基础上,阐述X射线脉冲星自主导航原理,对脉冲星导航方法以及X射线探测器等关键技术的发展进行了介绍,最后,对射电脉冲星导航进行了初步探讨.     

青岛科技大学自主导航与智能控制研究所科研团队为“天问一号”精准登陆提供导航“陆标”

正2021年5月15日7时18分,"天问一号"探测器成功实现火星表面软着陆,稳稳落在火星乌托邦平原南部预选着陆区。这是我国首次实现地外行星着陆,使我国成为第2个成功着陆火星的国家。"天问一号"火星探测工程首次发射就实现了 "环绕、着陆、巡视" 3项任务一次完成的壮举,是人类火星探测史上的首次。2012年,青岛科技大学作为十家参研单位之一,参与了国家首个"深空973计划"项目,为"天问一号"探测器精准、安全地着陆提供了技术护航。青岛科技大学自主导航与智能控制研究所科研团队负责人邵巍教授说:"火星与地球距离遥远,天问一号着陆时,与地球单向通讯时间约18分钟,而整个着陆过程在9分钟左右,着陆过程还存在通讯黑障、大气环境     

Monocular Vision Based Relative Localization For Fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle Landing

基于单目视觉的固定翼无人机自主着陆定位研究

许彧文,曹云峰,张洲宇

（南京航空航天大学 航天学院, 南京 210000）

中文说明：

近年来,无人机自主着陆技术已成为无人机导航、制导与控制系统的核心技术。为解决自主着陆过程中固定翼无人机与跑道之间基于视觉的相对位置和姿态估计问题,本文利用机载相机拍摄的序列图像,通过边缘检测的方式获取跑道角点信息,进一步基于正交迭代算法确定六自由度的位姿参数：首先基于频域残差对图像进行显著性分析,通过连通域标记和候选框筛选估计跑道所在的感兴趣区域;然后在感兴趣区域中提取跑道的边缘直线,由于着陆末端跑道纵向边缘具有明显的长度和相位特征,在利用霍夫变换定位纵向边缘的基础上,结合跑道平面梯度信息估计横向边缘位置,解决了传统的霍夫变换计算耗时,且难以检测端点的问题;最后将角点图像坐标作为输入,通过线性算法获取旋转矩阵初值,在此基础上以目标空间误差为误差函数,通过正交迭代优化参数估计结果,图像点坐标误差较小时,该方法相比线性算法精度明显提升,且具有良好的实时性。

关键词：自主着陆,视觉导航,感兴趣区域,边缘检测,正交迭代

     

基于数值算法改进的卡尔曼滤波算法在卫星自主定轨中的应用

高精度的自主定轨对探测器实现深空探测任务有着重要的意义,结合利用星光折射角的测量确定卫星轨道的自主导航方案,提出了基于数值算法改进的扩展卡尔曼滤波算法,提高了运算精度,通过仿真验证了该算法的优越性。     

地球/恒星敏感器共焦面自主导航方法与系统设计

为满足空间变轨飞行器由低轨到高轨飞行过程中的自主导航的需求,采用地球/恒星敏感器共焦面复合自主导航方法,建立了基于地球临边探测和恒星观测的自主导航模型,阐述了地球临边图像处理过程和地心矢量求解方法,介绍了结合地心矢量方向信息和由星敏感器获取的姿态信息,计算飞行器位置的方法,对比并选择了地球临边的探测波段,完成了地球/恒星复合探测光学系统方案设计,开展了精度仿真分析,结果表明,地球/恒星敏感器复合自主导航定位精度优于4 km,满足4000～36000 km轨道高度的应用需求,验证了地球/恒星敏感器复合自主导航方法在不同轨高飞行器上应用的可行性.     

基于月貌匹配的视觉导航方法

针对月面探测器在接近、下降、着陆阶段所要完成的精确导航任务,提出了一种基于月貌匹配的月面探测器的视觉导航方法.月面探测器下降过程中,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.最后,利用月貌匹配点的地理信息,通过2D/3D位姿估计方法,估计出探测器在地理坐标系下绝对的位置和姿态.仿真结果表明该方法有效,可以应用在月面探测器在接近、下降、着陆段的导航任务中.     

基于视觉着陆的无人机俯仰角与高度估计

为提高无人机（UAV）自主着陆的能力,提出了一种新方法,仅依靠视觉传感器数据,基于空时处理估计UAV的俯仰角和高度参数.构建双目立体视觉导航系统采集视频数据.利用Hough变换和RANSAC方法从单目图像序列中计算灭点;再利用灭点几何模型计算无人机着陆的俯仰角.基于双目图像序列,提取Harris角点进行特征点匹配,获取无人机的深度信息.联合无人机的俯仰角与深度信息,基于三维重建方法获得无人机的高度参数.根据UAV的运动规律,采用自适应卡尔曼滤波进一步提高UAV高度估计的精度.模拟实验结果表明,所提出的方法可以有效地估计UAV着陆的俯仰角和相对跑道的高度参数,而且算法具有较快的收敛速度.     

NASA即将测试深空着陆激光雷达

正美国国家航空航天局(NASA)即将在加利福尼亚州莫哈韦沙漠试验激光制导导航传感器"导航多普勒激光雷达"(NDL)。该技术未来将帮助深空探测器更安全、精确地着陆在地外天体表面。NDL是NASA"自主着陆技术联合协调"(COBALT)有效载荷的一部分,由兰利研究中心、约翰逊航天中心、喷气推进实验室共同研制,将搭载在马斯滕空间系统公司研发的火箭助推、垂直起飞垂直着陆(VTVL)平台(名为Xodiac)上进行飞行试验。NDL的主要结构是一个由光纤与3个透镜连接的小型电子箱,具有超精确的速度与距离测量能力,激光束经由地面反射回来,帮助传     

深空探测科学仪器研究进展

深空探测是对宇宙中地球以外的行星、卫星、小行星和彗星等星体或空间环境的探测活动.合理选择深空探测科学仪器,了解被测星体的物理及化学性质、地表地貌、动态特性以及有机物和水的存在,对人类了解地外水和生命信息、认识太阳系的起源和演化有着重要意义,是深空探测的重要任务.本文总结了深空探测的科学目标,介绍了近50年来典型深空探测...     

融合轨道动力学的小行星探测器自主视觉定位

针对小行星探测器高精度自主视觉定位问题,提出了一种融合轨道动力学的深空探测器自主视觉定位方法,能修正视觉视觉定位与地图构建算法(simultaneous localization and mapping, SLAM)的定位误差。该方法通过融合轨道动力学的轨道改进技术,能够在缺乏表面先验信息、无人工手动标记的场景下,实现探测器的高精度视觉导航,并建立小行星表面稠密三维模型。首先,基于视觉同时定位和建图方法(VSLAM)提取小行星表面特征,通过因子图优化算法估计探测器位姿,设计回环检测提高定位精度;其次,重构行星表面三维模型,实现基于多面体法的行星不规则引力场建模;最后,提出了一种基于轨道动力学的伪相对运动轨道优化算法,将其作为物理约束修正视觉定位累积误差,分析反演视觉初始定轨误差在轨道动力学中的传播过程,实现修正视觉定位累积误差,改善初始定位结果。仿真实验结果表明,融合轨道动力学可以有效提升小行星探测视觉定位的精度,从而实现高精度导航,为深空探测技术的未来发展提供参考借鉴。     

基于“玉兔号”月面数据的图像分割算法研究

月球表面环境感知是月球车自主导航的关键,月岩和月坑作为代表性的月面环境特征是月球车行驶过程中的主要障碍物。针对月球车自主导航和探测问题提出一种月岩和月坑的分割方法,首先对具有代表性的月面环境(月岩、月坑)进行各异向性扩散滤波(PM滤波),然后用最大类间方差法(Otsu)进行详细研究,对比分析最大类间方差法及基于最大类间方差法的两种改进方法。实验结果表明,基于粒子群的二维最大类间方差法在分割月岩和月坑图像时可取得较理想的效果。最后结合已有的三维重建平台,很好地在其基础上加入图像分割模块,为下一步避障和路径规划做准备。     

探测器接近段自主导航的信息融合滤波优化算法

为提高接近段自主导航系统的估计精度,引入基于星光角距和星光仰角的联合观测模型进行组合导航。针对深空探测任务对探测器实时性要求高,星载计算机计算能力有限的问题,用UD分解改进信息融合滤波算法,避免高维运算和大的空间存储,减少运算负担。利用状态方程的一阶泰勒展开式分析滤波周期对状态方程可观性的影响。计算机仿真证实了改进算法的可行性。     

不确定性条件下的深空探测器观测调度

以不确定性条件下的深空探测器观测调度问题为研究对象,首先分析了深空探测任务的背景特点,指出深空探测活动具有高度不确定性,进而全面分析了深空探测器观测调度中的不确定性因素,提出了基于鲁棒调度和动态重调度的深空探测器调度体系,并针对其中的动态重调度单元进行了深入研究。详细设计了改进的混合动态重调度策略和基于群体智能的深空探测器动态重调度方法,最后提出了基于时间成本、效率和稳定性的重调度性能评价体系。     

气象要素探测机器人的设计及测距准确度

将气象传感器引入到机器人系统中,自主研发了一种气象要素探测机器人,该机器人基于C8051F120内核,能够实时检测声纳、温度、湿度、气压、风速、风向等气象要素以及机器人自身的位姿,通过对位姿的判断可进一步进行自主导航和环境建模.采用中值滤波和曲线拟合,可以准确计算气象探测机器人与障碍物的距离,为进一步的研究提供了可靠保障.     

基于区域生长的智能车辆阴影路径图像分割方法

针对作者自主开发的视觉导航区域交通智能车辆(Cyber Car)的导航路径在阴影条件下难以应用单一传统阈值方法分割提取的问题,提出了基于区域生长的图像分割方法.该方法利用路径边缘信息寻找种子点,进而对整个路径区域进行生长,最终实现车辆导航路径的准确分割与提取.同时为满足车辆导航实时性的要求,还提出了对分块子图像进行压缩的方法.对不同阴影下导航路径图像的分割试验表明,该方法能够实时、准确地识别导航路径,并具有较强的抗干扰能力.     

新型的无人机自主着陆地标设计与研究

在基于计算机视觉的无人机自主着陆过程中,地标的设计与检测以及无人机位姿估计是其中的关键问题。该文提出了一种基于极坐标变换的无人机位姿估计算法,并设计了新型的着陆地标。首先,充分利用极坐标所需参数少、计算简单的优点,将极坐标变换运用到位姿估计算法中,由此设计了半圆环形状的着陆地标;其次,利用显著性检测算法对地标进行检测,并利用Hough算法提取所检测到的地标中的直线;最后,实验结果表明该算法准确快速,且适用于复杂背景的情况,该地标在无人机自主着陆中是可行的。     

火灾图像的模糊识别探测方法

烟气是火灾过程的重要物理现象.烟气中悬浮的烟气颗粒数目、尺寸分布、烟气浓度及其湍流效应等是火灾图像探测的重要影响因素,本文分析烟气的多参数特征,提出一种基于烟气多参数特征的火灾图像探测方法.     

无人机导航信号稳定跟踪方法

在复杂背景下易混入随机噪声,导致无人机导航信号检出率较低、跟踪误差较大.为此,本文提出了基于改进图像特征块匹配的无人机导航信号稳定跟踪方法.利用图像传感器、CCD摄像机等设备采集序列图像;采用Harris算法提取特征点确立匹配准则,选取估计量最优值完成特征点匹配;使用改进的图像模块匹配法计算目标模块与子模块的相似度,同...