基于陨石坑拟合椭圆的着陆器位姿估计方法研究

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1、分类号：学校代码：10426密级：学号：2013040004硕士学位论文MASTERDEGREETHESIS基于陨石坑拟合椭圆的着陆器位姿估计方法研究作者：高锡珍指导教师：邵巍学科专业：控制科学与工程专业代码：081100研究方向：自主导航与智能控制2016年6月8日基于惯石坑拟合欄圆的着陆器位姿估计方法研究２０＾－学位论文完成日斯１６０４０８：：觀指导教师签字晋＿答辩委员会成员签字：片词立仪Ｉ巧基于陨石坑拟合椭圆的着陆器位姿估计方法研究摘要随着深空探测任务的不断开展，着陆器自主导航系统的设计

2、作为深空探测的关键技术之一，其水平直接关系着整体任务的成功与否。陨石坑是天体表面常见的视觉特征，将其作为导航陆标可以实现着陆器运动状态的精确估计。本论文结合973项目“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”和国家自然科学基金青年基金项目“星际着陆自主特征点跟踪策略及误差分析”，针对深空探测下降着陆段的任务特点，对着陆过程中基于陨石坑匹配的自主视觉导航方法进行了较为系统的研究。论文的主要研究内容包括：首先，针对以陨石坑作为导航路标的视觉导航算法，对陨石坑匹配方法进行了简要分析，提出了一种基于尺度不变的曲线描述及匹配

3、方法；另外，分析了空间特征在导航相机像平面上的投影关系，建立了导航相机模型。其次，当陨石坑全局位置信息已知时，研究了基于陨石坑匹配的着陆器绝对导航方法。首先利用三条及以上陨石坑边缘椭圆曲线及其对应的像曲线，建立关于着陆器位姿的运动约束方程。然后由克罗内克积和最小二乘算法，求取了着陆器在着陆点固连坐标系下的位置和姿态。最后，分析了图像提取噪声和着陆器位姿误差之间的关系。然后，针对绝对导航可能存在陨石坑不能有效匹配的问题，研究了基于帧间单应变换的着陆器相对位姿估计方法。通过两帧图像之间陨石坑边缘椭圆曲线对应推导了着陆器

4、在本体坐标下的运动模型，采用了归一化线性方法对单应矩阵进行计算，有效地解决了测量矩阵条件数过大的问题，提高了单应矩阵估计精度，最后利用奇异值分解算法恢复着陆器的帧间运动。最后，对基于帧间相对运动与绝对定位融合的导航方法进行了研究。针对相对导航容易存在误差积累及绝对导航存在不能有效匹配的问题，将绝对导航与相对导航相组合，通过绝对导航对相对导航误差进行修正，有效避免了彼此存在的不足，提高了导航算法的稳定性和精度，其中位置估计误差小于10m，姿态角估计误差小于0.5°。关键词：星际着陆；视觉导航；陨石坑匹配；位姿估计；二

5、次曲线IRESEARCHONLANDERPOSITIONANDATTITUDEDETERMINATIONBASEDONCRATERFITTINGELLIPSEFORPRECISIONLANDINGABSTRACTAsoneofthekeytechnologiesinthedeepspaceexploration,thelevelofautonomousnavigationsystemimpactsonthemission'ssuccessalongwiththecontinuousdevelopmentofdeep

6、spaceexplorationmission.Theprecisionofnavigationcouldbeboostedlargelywhencratersareusedasnavigationallandmarkstheirdistinctfeatures.Withthesupportsof973Program―ResearchonGNCforPreciseLandingonPlanets‖andNationalNaturalScienceFoundationofChina―TrackingStrategya

7、ndErrorAnalysisofIndependentFeaturePointinStarLandingProcess‖,thisdissertationstudiestheautonomousopticalnavigationmethodsbasedoncratermatchingofdeepspaceexplorationdescentandlandingphase.Themaincontentsofthisdissertationareasfollows:Firstly,accordingtothechar

8、acteristicofautonomousopticalnavigationbasedoncraters,thecratermatchingalgorithmisanalysedbriefly.Withprojectionrelationofperspectiveprojectionconsidered,navigationcameramodelisbui