[发明专利]不规则小行星表面复杂地形特征识别与感知方法

说明书

本发明公开的不规则小行星表面复杂地形特征识别与感知方法，属于深空探测领域。本发明实现方法为：利用深空探测器拍摄的导航图像，检测提取小行星表面复杂地形特征的二值化暗亮区域。设置搜索窗口，配对潜在的属于同一地形特征的暗亮区域。根据地形特征暗亮区域成像特点，估算图像中的光照方向。利用估计的光照方向识别与感知陨石坑和岩石，并精确预测图像光照方向，从而实现小行星表面复杂地形特征的识别与感知。基于检测的小行星表面地形特征，解决深空探测领域相关工程问题，包括：为探测器的导航过程提供光学路标，进行光学路标导航；实现着陆障碍规避，提高探测器着陆安全性。相比于激光雷达，本发明具有视场广、能耗低、重量轻的优点。

技术领域

本发明涉及一种小行星表面复杂地形特征识别与感知方法，地形特征是指小行星表面具有明显光学对比度的陨石坑、岩石等天然地理特征，特别适用于深空探测器的导航路标和着陆障碍的检测，本发明属于深空探测领域。

背景技术

小行星探测将是未来深空探测最核心的任务之一，其中复杂地形特征识别与感知技术是行星探测的关键技术之一。深空探测距离远、时间长，传统的测控方式存在较大的通信延迟。另外，深空动力学环境复杂，基于地面遥控的导航模式已无法满足实现高精度探测的需要。随着计算机硬件技术的突破和光学敏感器件的发展，使得基于星载计算机和光学导航相机的地形特征识别感知成为研究热点。其中，天然地形特征如陨石坑和岩石广泛存在于小行星表面，在光照条件下具有显著的明暗对比度变化，光学成像所形成的暗亮区域便于提取和处理，基于天然地形特征图像光学信息的识别感知方法相比于其他方式所需敏感器少，处理简单，应用前景广阔。

小行星表面广泛分布着陨石坑和岩石等天然地形特征，受光照条件变化小，具有较高的可见性与可分辨性，易于从背景中提取出来，是深空探测中导航和避障的重要特征。因此，以陨石坑、岩石等作为检测目标的识别感知方法，在小行星探测方面得到了广泛的研究和应用。小行星表面地形特征能否正确识别感知已成为任务成败的关键技术之一。利用小行星表面光学图像进行地形特征的识别与感知，需要从图像中提取出小行星表面复杂地形特征的相关信息，确定出地形特征的类型、大小、位置等，从而实现后续的自主导航和障碍规避。

在已发展的小行星表面复杂地形特征识别与感知方法中，太阳光照方向对于特征检测和类别区分来说，是一项非常重要的判断条件，常被当为已知量进行应用。然而，由于探测器拍摄的行星表面图像中太阳光照的方向与探测器拍照时刻的姿态信息紧密相关，在探测器姿态等导航信息未知的情况下，太阳光照的方向一般是很难获得的。

在先技术[1](M.Yu,H.Cui,Y.Tian,A new approach based on craterdetection and matching for visual navigation in planetary landing,Advances inSpace Research.53(2014)1810-1821.)，提出一种基于区域配对的陨石坑检测算法，首先通过MSER方法提取到图像特征，基于图像合并的方法将提取的特征分为二值区域，通过设置经验参数的方式找到阴影区和光亮区正确配对的陨石坑，并假设太阳光照方向已知，根据陨石坑暗亮区域连线与光照方向的关系剔除掉错误匹配的陨石坑，从而实现陨石坑的检测。该算法需要大量的先验信息或者经验阈值来保证较高的检测率，且仅能识别陨石坑单一地形特征，不适用于小行星表面复杂地形的情况。

在先技术[2](李国庆.行星表面障碍检测与地形相关导航方法研究[D].哈尔滨工业大学,2018,33-44.)，提出一种基于多尺度区域图像对比度增强的方法，首先采用超像素分割技术对图像同质性区域进行分割，然后采用区域特征对比度信息增强了图像对比度，实现了岩石的检测，提高了岩石检测精度，该方式仅适用于探测器已经着陆在行星表面的情况，无法验证着陆之前的光学图像是否可行，且该方法无法识别感知陨石坑等复杂地形特征。