月球软着陆多模障碍检测与识别方法研究
发布时间：2021-08-06 12:22
无论是对月球还是其它天体的探测,安全软着陆是重要的关键技术之一,直接关系到探测任务的成败。月球软着陆过程中障碍识别的结果对着陆导航有着直接影响。障碍识别使用的传感器主要有CCD相机和LIDAR,以此获取着陆区地形信息,并使用障碍检测算法对着陆区进行风险评估,为安全着陆提供支撑。本文对月球软着陆过程中的障碍检测与识别方法进行了研究,主要开展的研究工作如下。首先,研究基于CCD相机采集的可见光图像的障碍检测与识别方法。对岩石障碍,研究一种基于最大类间方差法的图像分割算法,实现对岩石障碍及其阴影的识别;对陨石坑障碍,研究一种基于Canny算子的边缘检测方法,将陨石坑的真实边缘通过边缘筛选和边缘匹配的方法提取出来,并采用椭圆拟合的方法将陨石坑拟合,完成陨石坑的识别。其次,研究基于LIDAR采集的地形三维数据的障碍识别方法。在获得采样点高程数据的基础上,通过最小平方中值法实现局外点的剔除,对局内点使用最小二乘算法确定地形最佳平面方程,以此计算地形的粗糙度与坡度,并进一步对月面进行风险评估。最后,提出一种利用CCD相机与LIDAR传感器的多模信息障碍识别方法。在不同高度分别使用CCD相机与LIDA...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
直方图法示意图
和陨石坑受到太阳光照射，在背对光线的一面会产生阴影区域，所以当着陆器检测到阴影区域，那么在此区域肯定存在障碍物，然后进行障碍识别。将阴影的几何尺寸参数以及光照方向等已知条件结合，共同对障碍物的位置和大小进行估计确定，识别过程如图 1-2 所示，通过地面模拟月球表面，对阴影进行检测，最后对障碍进行识别。另外是基于 SFM 的障碍识别方法，其基本原理是：根据视差原理[17]，将单目相机通过两个角度以及两个时刻获得的两幅图像与被测物体进行结合，三者构成一个三角形，如果知道两幅图像之间的平面坐标点之间的关系，就可以得到被测物体的三维尺寸大小以及三维坐标点。所以将上述两种障碍识别方法进行结合便可识别出着陆区域的岩石以及陨石坑等障碍物。SFM 的障碍识别算法理论上是可以完成对障碍物的识别，而且 James 等人进行了地面直升机飞行试验验证[18,19]，该验证方法将惯性导航原理和 SFM 方法进行结合，估计着陆器的相对位置以及对匹配点对的三维信息进行重构，将获得的三维数据进行差值拟合，从而获得着陆区的三维数字高程图，然后利用构建的数字高程图将着陆区的障碍物识别出来。但是基于 SFM 的障碍识别方法计算量大，而且所获取的三维地形分辨率也较低。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文得的三维数据进行插值拟合以及坐标变换，从而获得规则的月面数字高程图，然后利用最小平方中值平面法拟合着陆区最佳平面，根据最佳平面识别岩石以及陨石坑等障碍物，并且对地形坡度进行评估。另外同样是利用激光扫描雷达获取三维数据进行障碍识别的方法，德克萨斯大学的学者 Sinclai 提出了一种利用领域高程数据比较的方法[37,38]，该方法的具体原理是：利用某采样点的高程值与其领域的高程值进行比较，如果两种高程值差距较大，则认为该处存在岩石或者陨石坑等障碍物，如果差距相对较小，则认为该处没有较大的障碍物，但是这种方法对岩石以及陨石坑的识别效果较好，对于坡度的评估效果就没那么理想。NASA 兰利研究中心的 Nikolas、John 等人利用直升机对这种基于LIDAR 的障碍识别方法进行了地面验证[39]，通过直升机携带 LIDAR 传感器对月面模拟地形进行高程图构建以及障碍检测识别，采用模拟地形对障碍进行障碍识别的结果如图 1-3，从识别结果可以看出，这种使用 LIDAR 对障碍物进行检测识别的方法有良好的识别结果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]月球软着陆自主障碍识别与避障制导方法[J]. 吴伟仁,王大轶,黄翔宇,李骥,张哲. 中国科学:信息科学. 2015(08)
[2]一种从月面图像检测陨石坑的方法[J]. 丁萌,曹云峰,吴庆宪. 宇航学报. 2009(03)
[3]图象分割质量评价方法研究[J]. 侯格贤,毕笃彦,吴成柯. 中国图象图形学报. 2000(01)
[4]灰度图象的二维Otsu自动阈值分割法[J]. 刘健庄,栗文青. 自动化学报. 1993(01)
博士论文
[1]月球软着陆自主导航、制导与控制问题研究[D]. 李茂登.哈尔滨工业大学 2011
[2]月球探测器软着陆视觉导航方法研究[D]. 姜肖楠.哈尔滨工业大学 2010
[3]空间探测器着陆过程中的机器视觉关键技术研究[D]. 丁萌.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]多模复合制导信息融合抗干扰算法设计与实现[D]. 邢孟秋.西安电子科技大学 2017
[2]废纸中废旧电池的识别研究[D]. 辛海明.齐鲁工业大学 2015
[3]基于多模信息融合的电力电缆故障精确定位技术[D]. 罗云鹏.西安电子科技大学 2014
[4]火星表面障碍识别与规避方法研究[D]. 董士波.哈尔滨工业大学 2013
[5]基于激光雷达的行星软着陆自主障碍检测方法研究[D]. 汪备.哈尔滨工业大学 2010
[6]基于陨石坑匹配的月球精确着陆导航方法研究[D]. 何江.哈尔滨工业大学 2010
[7]月球探测器视觉导航技术研究[D]. 曹开锐.哈尔滨工业大学 2008
[8]月球软着陆障碍检测与规避控制方法研究[D]. 冯军华.哈尔滨工业大学 2007
[9]多模复合制导信息融合技术研究[D]. 江源源.哈尔滨工程大学 2007
[10]月球探测器软着陆制导控制方法研究[D]. 蔡艳芳.西北工业大学 2006
本文编号：3325766
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
直方图法示意图
和陨石坑受到太阳光照射，在背对光线的一面会产生阴影区域，所以当着陆器检测到阴影区域，那么在此区域肯定存在障碍物，然后进行障碍识别。将阴影的几何尺寸参数以及光照方向等已知条件结合，共同对障碍物的位置和大小进行估计确定，识别过程如图 1-2 所示，通过地面模拟月球表面，对阴影进行检测，最后对障碍进行识别。另外是基于 SFM 的障碍识别方法，其基本原理是：根据视差原理[17]，将单目相机通过两个角度以及两个时刻获得的两幅图像与被测物体进行结合，三者构成一个三角形，如果知道两幅图像之间的平面坐标点之间的关系，就可以得到被测物体的三维尺寸大小以及三维坐标点。所以将上述两种障碍识别方法进行结合便可识别出着陆区域的岩石以及陨石坑等障碍物。SFM 的障碍识别算法理论上是可以完成对障碍物的识别，而且 James 等人进行了地面直升机飞行试验验证[18,19]，该验证方法将惯性导航原理和 SFM 方法进行结合，估计着陆器的相对位置以及对匹配点对的三维信息进行重构，将获得的三维数据进行差值拟合，从而获得着陆区的三维数字高程图，然后利用构建的数字高程图将着陆区的障碍物识别出来。但是基于 SFM 的障碍识别方法计算量大，而且所获取的三维地形分辨率也较低。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文得的三维数据进行插值拟合以及坐标变换，从而获得规则的月面数字高程图，然后利用最小平方中值平面法拟合着陆区最佳平面，根据最佳平面识别岩石以及陨石坑等障碍物，并且对地形坡度进行评估。另外同样是利用激光扫描雷达获取三维数据进行障碍识别的方法，德克萨斯大学的学者 Sinclai 提出了一种利用领域高程数据比较的方法[37,38]，该方法的具体原理是：利用某采样点的高程值与其领域的高程值进行比较，如果两种高程值差距较大，则认为该处存在岩石或者陨石坑等障碍物，如果差距相对较小，则认为该处没有较大的障碍物，但是这种方法对岩石以及陨石坑的识别效果较好，对于坡度的评估效果就没那么理想。NASA 兰利研究中心的 Nikolas、John 等人利用直升机对这种基于LIDAR 的障碍识别方法进行了地面验证[39]，通过直升机携带 LIDAR 传感器对月面模拟地形进行高程图构建以及障碍检测识别，采用模拟地形对障碍进行障碍识别的结果如图 1-3，从识别结果可以看出，这种使用 LIDAR 对障碍物进行检测识别的方法有良好的识别结果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]月球软着陆自主障碍识别与避障制导方法[J]. 吴伟仁,王大轶,黄翔宇,李骥,张哲. 中国科学:信息科学. 2015(08)
[2]一种从月面图像检测陨石坑的方法[J]. 丁萌,曹云峰,吴庆宪. 宇航学报. 2009(03)
[3]图象分割质量评价方法研究[J]. 侯格贤,毕笃彦,吴成柯. 中国图象图形学报. 2000(01)
[4]灰度图象的二维Otsu自动阈值分割法[J]. 刘健庄,栗文青. 自动化学报. 1993(01)
博士论文
[1]月球软着陆自主导航、制导与控制问题研究[D]. 李茂登.哈尔滨工业大学 2011
[2]月球探测器软着陆视觉导航方法研究[D]. 姜肖楠.哈尔滨工业大学 2010
[3]空间探测器着陆过程中的机器视觉关键技术研究[D]. 丁萌.南京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]多模复合制导信息融合抗干扰算法设计与实现[D]. 邢孟秋.西安电子科技大学 2017
[2]废纸中废旧电池的识别研究[D]. 辛海明.齐鲁工业大学 2015
[3]基于多模信息融合的电力电缆故障精确定位技术[D]. 罗云鹏.西安电子科技大学 2014
[4]火星表面障碍识别与规避方法研究[D]. 董士波.哈尔滨工业大学 2013
[5]基于激光雷达的行星软着陆自主障碍检测方法研究[D]. 汪备.哈尔滨工业大学 2010
[6]基于陨石坑匹配的月球精确着陆导航方法研究[D]. 何江.哈尔滨工业大学 2010
[7]月球探测器视觉导航技术研究[D]. 曹开锐.哈尔滨工业大学 2008
[8]月球软着陆障碍检测与规避控制方法研究[D]. 冯军华.哈尔滨工业大学 2007
[9]多模复合制导信息融合技术研究[D]. 江源源.哈尔滨工程大学 2007
[10]月球探测器软着陆制导控制方法研究[D]. 蔡艳芳.西北工业大学 2006
本文编号：3325766
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