[发明专利]单目视觉导航特征点丢失故障处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种导航特征丢失点故障处理方法，具体讲是一种单目视觉导航特征点丢失故障处理方法，属于视觉相对导航领域。

背景技术

国民经济的飞速发展及国防建设的不断加强推动了航天器在轨服务、行星着落等空间技术的迅猛发展。在空间技术中，航天器在轨服务对提高航天器操作能力、增强航天器适应性、延长航天器寿命、节省航天器研制和维护费用具有积极作用，对降低航天技术高风险系数具有重要意义，因此其一直以来都是世界各航天大国关注的焦点。航天器在轨服务首先需要解决的问题是确定航天器相对目标航天器或行星表面的位姿信息，即航天器相对导航问题，其是在轨服务等航天任务的关键技术之一。

视觉导航系统具有CCD相机价格便宜、系统体积小、集成度高、可靠性高、电子学系统标准化及不需要航天器质量特性等信息的优点，在航天器在轨服务等航天任务中得到了广阔的应用，如我国“神舟八号”与“天宫一号”交会对接最后阶段以及“嫦娥三号”软着落阶段都采用了视觉相机进行导航。

目前基于视觉的相对导航主要依赖于特征点的数目和空间构型，根据机器视觉理论可知至少需要四个非共线特征点才能计算唯一相对位姿信息。目前针对航天器在轨服务等航天任务来说，在实际视觉导航过程中由于遮挡、特征提取错误等其他原因易引起特征点数目不足，导致采用传统视觉导航方法无法解算相对位姿的问题，进而无法进行精确导航。为了防止视觉导航系统因特征点丢失而造成特征点数目不足，现有技术通常采用冗余设计方法，即在考虑各种环境等外部因素的情况下设计或提取足够多特征点，能够保证存在多个特征点故障的情况下仍有足够多的(例如5个以上)特征点可供选择，但其缺点在于：首先，特征点提取数量相对较多，计算量大，增加了视觉导航系统的运行负载，降低了系统的导航效率；其次，在视觉导航过程中因遮挡、特征提取错误等原因导致特征点数目不足特定的数量后，系统无法进行正常导航。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种步骤简单、计算量较小、可根据特征点故障的数量不同而采用不同处理方法的单目视觉导航特征点丢失故障处理方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的单目视觉导航特征点丢失故障处理方法，包括以下步骤：

1)、视觉导航系统采集图像、提取图像中的特征点并确定特征点的数目，在常态情况下所述特征点包括4平面内特征点和1平面外特征点；根据前后两时刻各特征点在像平面上的位置，采用差分算法得出每个特征点的运动矢量；

2)、若因特征点遮挡或提取失败导致步骤1)提取得到的特征点数目为4个：

21)、根据步骤1)中各个特征点的运动矢量判断识别平面外特征点，若丢失特征点为平面外点，则直接对平面内特征点进行匹配，基于4个平面内特征点，采用视觉导航迭代算法求解目标的相对位姿；

22)、若丢失特征点为平面内某一特征点，则根据前一时刻视觉导航系统输出的信息，重构丢失特征点的虚拟坐标，并根据此虚拟坐标以及剩余平面内的特征点，对平面内的全部特征点进行匹配；基于平面外特征点和剩余的3个平面内特征点，采用视觉导航迭代算法求解目标的相对位姿；

3)、若因特征点遮挡或提取失败导致步骤1)提取得到的特征点数目为3个：

31)、根据步骤1)中各个特征点的运动矢量判断识别步骤3)所述特征点是否存在平面外点；

32)、根据步骤31)的识别结果，若3个特征点均为平面内特征点，则利用三角形面积比特性重构丢失特征点；

33)、根据步骤31)的识别结果，若3个特征点为2个平面内特征点和1个平面外特征点，根据特征点故障前后相邻时刻的图像并进行比对和匹配，识别并提取当前时刻丢失的特征点以及坐标；

34)、根据陀螺姿态角速度测量信息、上一时刻视觉导航系统的位姿估计结果以及特征点的空间构型和成像特性，采用智能搜索算法对步骤32)、33)获得的丢失特征点虚拟坐标进行修正；

35)、根据修正后丢失特征点的虚拟坐标和剩余的3个特征点坐标，采用视觉导航迭代算法求解目标的相对位姿；

4)、重复以上步骤，实现单目视觉导航系统的连续位姿信息输出。

本发明中，所述步骤21)、22)、35)中的视觉导航迭代算法均采用Haralick算法或evenberg-Marquardt非线性优化算法。