[发明专利]一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法

权利要求书

1.一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：光学导航相机模型建立

采用的导航相机模型为理想针孔模型；特征点x_s在着陆点坐标系下位置坐标为(x_s,y_s,z_s,1)^T，特征点x_s对应的图像坐标为u_x＝(u_x,v_x,1)^T，则导航相机模型可由特征点x_s与特征点图像坐标u_x之间的对应关系来描述，即：

ρu_x＝K[R|t]x_s (1)

其中ρ为非零常数因子，R为3×3的旋转矩阵；t为3×1的平移向量，且旋转矩阵的三个列向量为单位正交向量，矩阵[R|t]_3×4为R和t的组合形式，K为导航相机内参数矩阵，满足：

式中f为导航相机焦距；

步骤2：基于陨石坑特征的着陆器绝对位姿估计

在着陆初始阶段，导航相机观测范围较大，陨石坑特征较明显，首先利用陨石坑作为视觉特征进行着陆器位姿估计；

当着陆器在位置c_τ时，其中τ∈{1，2，3，…}，陨石坑全局位置信息已知，给定一幅下降图像中m个成功检测并与基准地图匹配的陨石坑，m≥3；结合步骤1中的导航相机模型，首先利用下降图像和基准地图中任意两对成功匹配的陨石坑，在着陆点坐标系下建立着陆器绝对运动约束方程为：

(G_l^-1G_k)W＝W(C_l^-1C_k) (3)

式中k<l且∈{1,2,…,m}，C_k和C_l分别表示两个陨石坑在着陆点坐标系下边缘椭圆曲线，G_k和G_l分别表示两个陨石坑像的边缘椭圆曲线，矩阵W表示着陆器绝对运动参数，矩阵W满足：

其中：向量r₁和r₂为绝对姿态的列向量，且向量表示着陆器在着陆点坐标系中的绝对位置；

结合着陆器绝对运动约束方程(3)，利用矩阵的克罗内克积建立关于着陆器绝对位姿的线性方程：

F_9m(m-1)/2×9w＝0 (5)

其中,满足矩阵I为3×3的单位矩阵，向量w为矩阵W的向量化形式，即w＝(w₁,…,w₉)^T；

由式(5)可以得到w，进而可以得到着陆器的绝对位置和姿态

步骤3：基于陨石坑特征的着陆器相对位姿估计

在着陆初始阶段，当着陆器在某一位置时陨石坑未能有效识别，即陨石坑全局位置信息未知，在着陆器本体坐标系下建立着陆器相对运动约束方程；给定下降图像中n个成功检测并与相邻图像匹配的陨石坑，且n≥3；则利用两幅相邻图像中任意两对成功匹配的陨石坑建立着陆器在两个不同位置间的相对运动约束方程为：

其中，i＜j且∈{1,2,…,n}；矩阵A_i，A_j分别表示着陆器在位置c_λ-1时两个陨石坑像的边缘椭圆曲线，其中λ＝2,3,…；矩阵B_i，Β_j分别表示着陆器在位置c_λ时两个陨石坑像的边缘椭圆曲线；且矩阵A_i,A_j,B_i,B_j都为3×3的非奇异对称矩阵；矩阵H为3×3单应矩阵，满足：

式中向量表示着陆器在不同位置间的相对位置；矩阵表示着陆器在不同位置间的相对姿态；表示天体表面在相机坐标系下的单位法向量；表示天体表面距离相机坐标系原点的垂直距离；

结合着陆器不同位置间相对运动约束方程(6)，利用矩阵的克罗内克积建立关于着陆器相对位姿的线性方程：

E_9n(n-1)/2×9h＝0 (8)

其中,满足矩阵I为3×3的单位矩阵，向量h为单应矩阵H的向量化形式，即h＝(h₁,…,h₉)^T；给定图像坐标系下成功匹配的陨石坑边缘椭圆曲线方程，可以得到单应矩阵H；然后利用奇异值分解得到H＝USV^T，其中UU^T＝VV^T＝I_3×3，S＝diag(s₁,s₂,s₃)；结合激光测距仪输出的高度信息，可以得到着陆器在不同位置间的相对位姿为：

其中ω为比例因子，u₁和u₃为矩阵U的列向量，

式中，η＝det(U)det(V)；

步骤4：基于角点特征的着陆器着陆末端相对水平位置估计

由于受导航相机视场大小的限制，在着陆末端目标天体表面的陨石坑特征不能有效观测，而角点特征明显，易于获取；在着陆器本体坐标系下建立基于角点特征的着陆器不同位置间的相对运动约束方程为：

其中E＝t^p×R^p，向量t^p和矩阵R^p分别表示着陆器不同位置间的相对位置和姿态，姿态信息R^p可由陀螺仪给出；u_p＝[u_p,v_p,1]^T和u′_p＝[u′_p,v′_p,1]^T分别表示角点p在相邻图像中的像点；结合测距仪输出的距离信息，利用2对及以上的匹配特征点可以得到着陆器在着陆末端的相对水平位置t^p；

步骤5：基于陨石坑特征和角点特征的着陆器绝对水平位置估计

利用步骤2中得到的着陆器绝对位姿、步骤3中得到的着陆器相对位姿以及步骤4得到的着陆器着陆末端相对水平位置，通过不同坐标系间的变换，对着陆器在整个下降着陆段的绝对水平位置进行估计。

2.如权利要求1所述的一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法，其特征在于：步骤5所述的基于陨石坑特征和角点特征的着陆器绝对水平位置估计，具体求解过程如下：

1、利用步骤2和步骤3中得到的基于陨石坑特征的着陆器绝对位姿和相对位姿，通过如下变换得到着陆器在任一位置c_λ处的绝对位姿，实现着陆器绝对位姿的连续估计；

2、将利用陨石坑特征最终得到的着陆器绝对位置和姿态作为初始条件，其中用于校准陀螺仪，在设定高度上结合步骤4中得到的基于角点特征的着陆器相对水平位置信息和陀螺仪输出的姿态信息R^p，通过如下变换可以得到着陆器在着陆末端的绝对水平位置，

其中t^s表示着陆器在着陆末端位置的绝对位置；

因此，由和t^s可以得到着陆器在整个下降着陆段的绝对水平位置，实现着陆器的实时导航，从而为精确定点着陆奠定基础。