[发明专利]一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法

说明书

本发明涉及一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法，属于深空探测技术领域。本发明为了解决在下降着陆段着陆器绝对水平位置估计的问题，提供了一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法。本发明充分利用了陨石坑特征绝对位置信息已知和着陆末端角点特征信息丰富的优点，避免了着陆末端陨石坑特征数目不足以进行导航定位，以及角点特征不能用于绝对位置估计的问题，提高了导航算法的稳定性；保证着陆器的精确着陆。

技术领域

本发明涉及一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

着陆探测及采样返回是未来深空探测的主要发展方向。未来的小天体及火星探测任务都要求探测器具备在科学价值较高的区域精确定点着陆的能力。而目标天体距离地球较远，通讯时延严重，这就要求探测器具备自主导航的能力。同时，目标天体环境的先验信息不足、环境扰动和动力学特性时变等不确定性对自主导航系统提出了更高的要求。

目前着陆过程中主要采用基于惯性测量单元IMU航位递推的导航方法，但该方法无法对初始偏差进行修正，且惯性测量单元存在随机漂移和误差，随着时间的累积误差会逐渐扩散，难以满足高精度导航的要求。由于目标天体表面存在大量的角点特征，美国火星探测漫游者利用下降着陆段获取的序列图像，通过帧间图像的角点检测与匹配对着陆器的相对速度进行估计，但该方法没有获得着陆器的绝对位置信息。针对上述单一导航方法存在的不足，在先技术(参见Mourikis A I,Trawny N,Roumeliotis S I,et al.Vision-aided inertial navigation for spacecraft entry,descent,and landing[J].IEEETransactions on Robotics,Vol.25,No.2,2009,pp.264-280.)提出了基于惯性测量和特征点视线信息融合的自主导航方案。着陆器首先通过检测和匹配特征点获取其在天体固连坐标系下的绝对位置，进而完成视觉导航，然后利用惯导递推更新视觉导航采样间隔内的着陆器运动状态信息。但特征点视线测量信息易受噪声影响，且识别特征点的绝对位置信息比较困难。而陨石坑作为天体表面常见的视觉特征，具有一致的轮廓和清晰的几何形状，可以用于绝对定位。因此，利用陨石坑边缘曲线信息，并结合角点特征对着陆器的绝对水平位置进行估计，从而实现着陆过程的高精度导航，是需要进一步解决的关键技术。

发明内容

本发明的目的是为了解决在下降着陆段着陆器绝对水平位置的估计的问题，提供一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法。该方法充分利用天体表面的陨石坑特征和角点特征，提高了算法稳定性，保证着陆器的精确着陆。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法，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。