基于三维模型的小天体下降段视觉导航方法研究
发布时间：2021-08-30 01:00
自主导航与制导技术作为行星探索任务的关键,直接影响了着陆器精确着陆及行星车进行实地科学考察的实施效果。随着深空探测任务的深入,传统自主导航方式已无法满足行星着陆任务及后续巡视漫游导航任务的精度要求,视觉信息能够提供探测器的绝对位姿信息,对提高行星探测任务的导航精度及任务灵活性具有重要意义。本文以小天体深空探测下降段为背景,首先基于传统视觉导航方案设计了基于固定特征库的视觉导航方案,并以“隼鸟二号”任务的图像数据对其导航精度与所存在的不足进行了分析评估。针对探测器在下降过程中因图像尺度等因素变化导致的特征匹配困难的问题,本文研究了一种基于天体三维模型的视觉导航方案。该方案将传统视觉导航方案中的二维导航地图替换为目标天体或目标区域的三维模型,在小天体下降过程中,根据估计的探测器位姿,基于三维模型在线生成导航参考图像并与下降阶段真实导航图像进行特征提取与匹配,由此生成的导航参考图像与真实导航图像之间的位姿和尺度差异较小,因此能大大降低导航特征提取与匹配的难度。最后本文以视觉导航的位姿估计为观测量,设计导航滤波器融合状态递推信息,对视觉导航方案的精度进行了评估。
【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】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于固定特征库的视觉导航方案
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-8-联坐标系下的三维坐标，将特征点对应的特征描述子与三维坐标记录，构建起导航特征库。（2）探测器在下降过程中，使用导航相机拍摄导航图像，在线提取导航特征，在剔除不稳定的边缘区域特征后，与绕飞阶段构建的导航特征库进行特征匹配，由匹配结果索引导航特征点在天体固联坐标系下的误差。（3）根据特征点的三维坐标与像元坐标的匹配关系，求解PNP问题估计探测器位姿。（4）将视觉位姿估计输入导航滤波器，融合状态递推数据，输出最终位姿估计结果。2.3相关坐标系定义本文的视觉导航方案中使用到如下坐标系。（1）J2000坐标系:JJJJJoxyz：原点在地球质心，JJJxoy平面为J2000时刻的地球平赤道面，JJox轴指向J2000时刻的平春分点（J2000时刻平赤道面与平黄道面的交点）。三个轴构成右手系。（2）导航相机坐标系:cccccoxyz：相机坐标系的cccxoy平面与像平面（即CCD靶面）平行，原点为相机光心，ccoz轴为相机光轴，三个轴构成右手系，如下图：图2-2相机坐标系定义为计算方便，本文中取导航相机坐标系与探测器本体系重合。（3）天体固联坐标系:gggggoxyz：原点为天体质心，ggoz轴沿天体自旋轴方向，ggox轴沿天体最小惯量轴方向，三个轴构成右手系。在本文中，天体固联坐标
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-J2000坐标系的姿态转换阵。由JAXA提供的“隼鸟二号”SPK文件计算获得“隼鸟二号”在J2000坐标系中的位置和“隼鸟二号”相机坐标系相对于J2000坐标系的姿态转换阵。依据以上相对位姿信息求解右图拍摄时“隼鸟二号”相机坐标系相对于“龙宫”天体固联坐标系的旋转矩阵和平移量。（4）将步骤（2）中获得的特征点在天体固联坐标系下的坐标转换到“隼鸟二号”相机坐标系下，然后通过相机内参矩阵将三维点投影至像平面上获得特征点在右图的“正确”像素坐标，与右图特征点的“实际”像素坐标的欧式距离即为该组匹配的误差大校由于步骤（2）中索引特征点三维坐标以及坐标转换时会产生误差，因此认为“正确”像素坐标与“实际”像素坐标距离小于5个像素即为正确匹配。图2-3相同尺度下SIFT特征匹配结果图2-4不同尺度下SIFT特征匹配结果以上图2-3与图2-4为SIFT算法对两组图像的匹配结果示意。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国深空探测领域的发展及展望[J]. 叶培建,邹乐洋,王大轶,彭兢,张熇. 科学中国人. 2019(01)
[2]“奥西里斯”升空去贝努小行星采样[J]. 焦维新. 国际太空. 2016(09)
[3]基于Lambert光照模型的图像真伪盲鉴别算法[J]. 陈海鹏,申铉京,吕颖达,金玉善. 计算机研究与发展. 2011(07)
[4]粒子滤波算法及其应用研究[J]. 郭晓松,李奕芃,郭君斌. 计算机工程与设计. 2009(09)
[5]利用Moravec算子提取特征点实现过程分析[J]. 王舒鹏,方莉. 电脑知识与技术. 2006(26)
[6]探测器着陆小天体的自主光学导航研究[J]. 黄翔宇,崔祜涛,崔平远. 电子学报. 2003(05)
[7]自适应卡尔曼滤波在惯导初始对准中的应用研究[J]. 许明,刘建业,袁信. 中国惯性技术学报. 1999(03)
博士论文
[1]行星表面障碍检测与地形相关导航方法研究[D]. 李国庆.哈尔滨工业大学 2018
硕士论文
[1]视觉导航在星际着陆任务中的应用研究[D]. 雷亚珂.哈尔滨工业大学 2012
[2]基础矩阵计算及其在立体视差估计中的应用[D]. 张耀.西安电子科技大学 2008
本文编号：3371735
【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】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于固定特征库的视觉导航方案
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-8-联坐标系下的三维坐标，将特征点对应的特征描述子与三维坐标记录，构建起导航特征库。（2）探测器在下降过程中，使用导航相机拍摄导航图像，在线提取导航特征，在剔除不稳定的边缘区域特征后，与绕飞阶段构建的导航特征库进行特征匹配，由匹配结果索引导航特征点在天体固联坐标系下的误差。（3）根据特征点的三维坐标与像元坐标的匹配关系，求解PNP问题估计探测器位姿。（4）将视觉位姿估计输入导航滤波器，融合状态递推数据，输出最终位姿估计结果。2.3相关坐标系定义本文的视觉导航方案中使用到如下坐标系。（1）J2000坐标系:JJJJJoxyz：原点在地球质心，JJJxoy平面为J2000时刻的地球平赤道面，JJox轴指向J2000时刻的平春分点（J2000时刻平赤道面与平黄道面的交点）。三个轴构成右手系。（2）导航相机坐标系:cccccoxyz：相机坐标系的cccxoy平面与像平面（即CCD靶面）平行，原点为相机光心，ccoz轴为相机光轴，三个轴构成右手系，如下图：图2-2相机坐标系定义为计算方便，本文中取导航相机坐标系与探测器本体系重合。（3）天体固联坐标系:gggggoxyz：原点为天体质心，ggoz轴沿天体自旋轴方向，ggox轴沿天体最小惯量轴方向，三个轴构成右手系。在本文中，天体固联坐标
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-J2000坐标系的姿态转换阵。由JAXA提供的“隼鸟二号”SPK文件计算获得“隼鸟二号”在J2000坐标系中的位置和“隼鸟二号”相机坐标系相对于J2000坐标系的姿态转换阵。依据以上相对位姿信息求解右图拍摄时“隼鸟二号”相机坐标系相对于“龙宫”天体固联坐标系的旋转矩阵和平移量。（4）将步骤（2）中获得的特征点在天体固联坐标系下的坐标转换到“隼鸟二号”相机坐标系下，然后通过相机内参矩阵将三维点投影至像平面上获得特征点在右图的“正确”像素坐标，与右图特征点的“实际”像素坐标的欧式距离即为该组匹配的误差大校由于步骤（2）中索引特征点三维坐标以及坐标转换时会产生误差，因此认为“正确”像素坐标与“实际”像素坐标距离小于5个像素即为正确匹配。图2-3相同尺度下SIFT特征匹配结果图2-4不同尺度下SIFT特征匹配结果以上图2-3与图2-4为SIFT算法对两组图像的匹配结果示意。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国深空探测领域的发展及展望[J]. 叶培建,邹乐洋,王大轶,彭兢,张熇. 科学中国人. 2019(01)
[2]“奥西里斯”升空去贝努小行星采样[J]. 焦维新. 国际太空. 2016(09)
[3]基于Lambert光照模型的图像真伪盲鉴别算法[J]. 陈海鹏,申铉京,吕颖达,金玉善. 计算机研究与发展. 2011(07)
[4]粒子滤波算法及其应用研究[J]. 郭晓松,李奕芃,郭君斌. 计算机工程与设计. 2009(09)
[5]利用Moravec算子提取特征点实现过程分析[J]. 王舒鹏,方莉. 电脑知识与技术. 2006(26)
[6]探测器着陆小天体的自主光学导航研究[J]. 黄翔宇,崔祜涛,崔平远. 电子学报. 2003(05)
[7]自适应卡尔曼滤波在惯导初始对准中的应用研究[J]. 许明,刘建业,袁信. 中国惯性技术学报. 1999(03)
博士论文
[1]行星表面障碍检测与地形相关导航方法研究[D]. 李国庆.哈尔滨工业大学 2018
硕士论文
[1]视觉导航在星际着陆任务中的应用研究[D]. 雷亚珂.哈尔滨工业大学 2012
[2]基础矩阵计算及其在立体视差估计中的应用[D]. 张耀.西安电子科技大学 2008
本文编号：3371735
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