一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法与流程

文档序号:11228045阅读:453来源:国知局
一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法与流程

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mourikisai,trawnyn,roumeliotissi,etal.vision-aidedinertialnavigationforspacecraftentry,descent,andlanding[j].ieeetransactionsonrobotics,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。



技术实现要素:

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xs在着陆点坐标系下位置坐标为(xs,ys,zs,1)t,特征点xs对应的图像坐标为ux=(ux,vx,1)t,则导航相机模型可由特征点xs与特征点图像坐标ux之间的对应关系来描述,即:

ρux=k[r|t]xs(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cτ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。结合步骤一中的导航相机模型,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:

(gl-1gk)w=w(cl-1ck)(3)

式中k<l且∈{1,2,…,m},ck和cl分别表示两个陨石坑在着陆点坐标系下边缘椭圆曲线,gk和gl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:

f9m(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ai,aj分别表示着陆器在位置cλ-1时两个陨石坑像的边缘椭圆曲线,其中λ=2,3,…;矩阵bi,βj分别表示着陆器在位置cλ时两个陨石坑像的边缘椭圆曲线;且矩阵ai,aj,bi,bj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:

e9n(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=usvt,其中uut=vvt=i3×3,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=tp×rp,向量tp和矩阵rp分别表示着陆器不同位置间的相对位置和姿态,姿态信息rp可由陀螺仪给出;up=[up,vp,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tp

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,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cλ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rp,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ts表示着陆器在着陆末端位置的绝对位置。

因此,由和ts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。

有益效果

1、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;

2、本发明利用陨石坑边缘曲线信息进行着陆器位姿估计,与特征视线信息方法相比,抗噪声干扰能力强,估计精度高;

3、本发明利用简单的矩阵运算,直接对着陆器的绝对水平位置进行解算,解算速度快,可以满足下降着陆段导航实时性要求。

附图说明

图1为基于多源特征的着陆器视觉导航策略流程图;

图2为本发明提出的视觉导航方法性能图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点,下面结合附图和实例对本发明的内容做进一步说明。

本发明采用火星下降着陆段基于多源特征的着陆器视觉导航方法为实例分析,该导航方法测量参数都具有较大不确定性,更能体现本发明的实用性。本实例的具体实施方法如下:

一种基于多源特征的着陆器视觉导航方法,具体步骤如下:

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xs在着陆点坐标系下位置坐标为(xs,ys,zs,1)t,特征点xs对应的图像坐标为ux=(ux,vx,1)t,则导航相机模型可由特征点xs与特征点图像坐标ux之间的对应关系来描述,即:

ρux=k[r|t]xs(15)

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

在火星着陆初始阶段,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cτ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4个成功检测并与基准地图匹配的陨石坑。结合步骤一中的导航相机模型,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:

(gl-1gk)w=w(cl-1ck)(17)

式中k<l且∈{1,2,3,4},ck和cl分别表示两个陨石坑在着陆点坐标系下边缘椭圆曲线,gk和gl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(17),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:

f54×9w=0(19)

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(19)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

在火星着陆初始阶段,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4个成功检测并与相邻图像匹配的陨石坑。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∈{1,2,3,4};矩阵ai,aj分别表示着陆器在位置cλ-1时两个陨石坑像的边缘椭圆曲线,其中λ=2,3,…;矩阵bi,βj分别表示着陆器在位置cλ时两个陨石坑像的边缘椭圆曲线;且矩阵ai,aj,bi,bj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;表示火星表面在相机坐标系下的单位法向量;表示火星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(20),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:

e54×9h=0(22)

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=usvt,其中uut=vvt=i3×3,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,在着陆末端火星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=tp×rp,向量tp和矩阵rp分别表示着陆器不同位置间的相对位置和姿态,姿态信息rp可由陀螺仪给出;up=[up,vp,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5对成功匹配的特征点可以得到着陆器在着陆末端的相对水平位置tp

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、步骤3以及步骤4中的结果,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,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cλ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1000m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rp,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ts表示着陆器在着陆末端时的绝对位置。

着陆器初始高度为5000m,从5000m高度到1000m高度利用陨石坑特征对着陆器绝对水平位置进行估计,其中每隔600m陨石坑的全局位置成功识别一次,即可以获得着陆器的绝对位姿;从1000m高度至最终着陆利用角点特征对着陆器绝对水平位置ts进行估计,最终得到着陆器的绝对水平位置估计误差曲线,具体仿真参数如表1所示。着陆器绝对水平位置的估计结果如图2所示。从图2可以看出,本发明所获得的着陆器绝对水平位置估计误差随着陆器高度的降低逐渐收敛,最终x方向位置误差为5.3m,y方向位置误差为4.2m,满足着陆精度要求。

表1.仿真参数

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