一种基于序列图像的软着陆高精度避障方法与流程

本发明涉及一种基于序列图像的软着陆高精度避障方法，属于航天器制导、导航与控制技术领域。本发明是火星着陆过程制导与控制领域的关键技术，可以应用于各类地外天体的软着陆探测任务，具有广泛的应用价值和市场前景。

背景技术：

高精度避障是保证火星安全着陆的关键技术。相比嫦娥系列月球软着陆动力下降过程，火星edl过程角速度和加速度动态变化范围大，需要采用大量程的惯性敏感器，这就导致惯导外推误差飘散较快，此时采用嫦娥系列月球软着陆的避障方法难以满足避障精度要求，因此，需要在继承嫦娥系列月球软着陆避障方法的基础上，设计新的高精度避障方法。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对火星动力下降过程大导航误差情况下高精度避障的新需求，提出了一种基于序列图像的软着陆高精度避障方法。

本发明解决技术的方案是：一种基于序列图像的软着陆高精度避障方法，该方法的步骤包括：

在下降图像中找到安全着陆点位置；

根据安全着陆点在下降图像中的位置计算安全着陆点在成像时刻着陆器本体系下的方向矢量；

在下一幅下降图像还未获取期间，安全着陆点在当前时刻着陆器本体系下的位置和速度通过惯导外推着陆器位置和速度变化获取；否则根据上一幅下降图像和当前获取的下降图像中安全着陆点方向矢量结合测速敏感器和imu测量计算安全着陆点在当前成像时刻着陆器本体系下的位置和速度；

根据安全着陆点在当前成像时刻着陆器本体系下的位置和速度确定着陆器本体下控制指令，按照该控制指令进行控制完成避障。

优选的，在第一幅下降图像中利用障碍识别的方式找到安全着陆点，通过与前一幅下降图像进行匹配获取安全着陆点在后续下降图像中的像元像线位置。

优选的，通过下述方式在第一幅下降图像中找到安全着陆点：

(1)对下降图像进行处理获取图像的灰度值，通过直方图分析和k均值聚类算法识别出灰度图像中过亮、过暗和纹理障碍，获得下降图像的障碍二值图；

(2)将下降图像的障碍二值图按像素点划分为网格，从图像中心网格开始按逆时针螺旋搜索，计算每个网格到距其最近的障碍网格之间的距离作为该网格的安全半径，当找到安全半径符合安全着陆要求的网格时停止搜索，将该网格对应的像素点作为安全着陆点；

若下降图像中未能找到完全满足安全着陆要求的网格时，则选择安全半径最大的网格对应的像素点作为安全着陆点。

优选的，所述的匹配通过下述方式实现：

s1、利用surf特征检测算法检测提取第i幅下降图像中安全着陆点附近特征点，从所提取特征点中选取4个与安全着陆点组成特征点集，且要求该特征点集中任意3个特征点均不共线；

s2、利用surf算法检测提取第i+1幅图像中特征点，通过与第i幅图像匹配获取选定的4个特征点在第i+1幅图像中的位置；

s3、根据射影几何交比不变定理利用选定的4个特征点在第i和i+1幅图像中的位置以及安全着陆点在第i幅图像中的位置计算得到安全着陆点在第i+1幅图像中的位置。

优选的，下降图像的拍摄规则按下述方式进行：

根据着陆器器上计算能力以及imu性能和避障精度要求共同确定下降图像的拍摄间隔；假设着陆器自主完成下降图像安全着陆点确定和匹配跟踪需要时间δtimage1，避障精度要求为δr，通过imu测量进行导航外推位置累计误差达到δr的时间为δtimage2，则下降图像拍摄的时间间隔δtimage应满足δtimage1<δtimage<δtimage2。

优选的，通过下述方式计算安全着陆点在当前成像时刻着陆器本体系下的位置：

以第i次成像时着陆器姿态为基准姿态，即姿态四元数qbi＝[0001]^t，利用imu陀螺角速度测量输出，进行姿态外推，得到ti+1时刻成像时着陆器相对ti成像的姿态；

利用测速敏感器和imu测量输出进行外推，得到ti+1时刻相对于ti时刻着陆器位置在ti时刻着陆器本体系下表示δrbi+1|i，进而计算ti+1时刻安全着陆点在着陆器本体系下的位置表示。

优选的，ti+1时刻成像时着陆器相对ti时刻成像的姿态：

其中，为四元数乘法，δθbi+1|i＝||δθbi+1|i||，为从ti到ti+1时刻由陀螺测量得到的角度增量，ωbji为陀螺在ti+j·δt时刻测量得到的角速度，δt为imu测量更新周期，表示两幅下降图像成像间隔期间陀螺测量次数。

优选的，ti+1时刻相对于ti时刻着陆器位置在ti时刻着陆器本体系下表示为：

其中，表示由ti+j·δt时刻着陆器本体系到ti时刻着陆器本体系的转换阵，vbji为ti+j·δt时刻着陆器本体系下着陆器相对行星表面速度，δt为imu测量更新周期，表示两幅下降图像成像间隔期间陀螺测量次数。

优选的，ti+1时刻安全着陆点在当前着陆器本体系下的表示为：

其中，

其中表示由ti+1时刻着陆器本体系到ti时刻着陆器本体系的转换阵，lbi+1、lbi分别代表ti+1和ti时刻安全着陆点在着陆器本体系下的视线方向矢量。

优选的，所述的控制指令在着陆器本体下的表示为：

ui+1＝-kprlbi+1-kdvbi+1

其中，rlbi+1为安全着陆点在着陆器本体系下的位置，vbi+1为着陆器相对于安全着陆点的速度，即为着陆器相对行星表面速度kp、kd分别代表避障控制参数。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

针对火星动力下降过程大导航误差情况下高精度避障的新需求，本专利提出了一种基于序列图像的软着陆高精度避障方法。该方法设计了连续跟踪动力下降过程图像序列中的安全着陆点实现动力下降过程安全着陆点相对着陆器位置不断更新的策略，通过将不断更新的安全着陆点相对位置信息引入避障制导实现了避障过程的闭环控制，显著降低了导航误差对避障精度的影响，提高了避障精度和着陆的安全性。

本发明设计了下降序列图像安全着陆点跟踪策略，实现了下降过程安全着陆点相对位置更新，为高精度避障闭环控制奠定了基础；

本发明设计了着陆器本体坐标系下高精度避障控制策略，通过在着陆器本体系下设计避障控制算法，直接利用安全着陆点的相对位置信息，对着陆器相对于安全着陆点的位置和速度进行闭环控制，简化了避障算法设计，降低了导航误差对避障精度的影响，提高了避障精度。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明利用序列图像计算安全着陆点位置示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图1、2对本发明作进一步阐述。

第一步，下降序列图像安全着陆点跟踪策略

利用障碍识别算法在第一幅下降避障图像中找到安全着陆点，后续下降图像通过与前一幅图像进行匹配获取安全着陆点在第i幅下降图像中的像元像线位置pi＝[uivi]^t，实现下降序列图像中安全着陆点的连续跟踪。

本步骤中的障碍识别算法具体步骤如下：

对下降图像进行处理获取图像的灰度值，通过直方图分析和k均值聚类算法识别出灰度图像中过亮、过暗和纹理障碍，获得下降图像的障碍二值图；将下降图像的障碍二值图按像素点划分为网格，从图像中心网格开始按逆时针螺旋搜索，计算每个网格到距其最近的障碍网格之间的距离作为该网格的安全半径，当找到安全半径符合安全着陆要求的网格时停止搜索，将该网格对应的像素点作为安全着陆点；若下降图像中未能找到完全满足安全着陆要求的网格时，则选择安全半径最大的网格对应的像素点作为安全着陆点。

本步骤中的安全着陆点的匹配跟踪算法具体步骤如下：

利用surf特征检测算法检测提取第i幅下降图像中安全着陆点附近特征点，从所提取特征点中选取4个与安全着陆点组成特征点集，且要求该特征点集中任意3个特征点均不共线，定义选定的4个特征点在第i幅图像中的位置为(uij,vij)j＝1,2,3,4，安全着陆点在第i幅图像中的位置为(ui,vi)。

利用surf算法检测提取第i+1幅图像中特征点，通过与第i幅图像匹配获取选定的4个特征点在第i+1幅图像中的位置为(ui+1j,vi+1j)j＝1,2,3,4；根据射影几何交比不变定理可计算得到安全着陆点在第i+1幅图像中的位置(ui+1,vi+1)。

本步骤中下降图像拍摄规则如下：

根据着陆器器上计算能力以及imu性能和避障精度要求共同确定下降图像的拍摄间隔。假设着陆器自主完成下降图像安全着陆点确定和匹配跟踪需要时间δtimage1，避障精度要求为δr，通过imu测量进行导航外推位置累计误差达到δr的时间为δtimage2，则下降图像拍摄的时间间隔δtimage应满足δtimage1<δtimage<δtimage2

第二步，安全着陆点相对位置更新策略

定义cbc为从相机坐标系到着陆器本体坐标系的转换阵，rc为相机在着陆器本体坐标系下安装位置，(ui,vi)为安全着陆点在第i幅下降图像中像元像线位置，(ui0,vi0)为第i幅下降图像像平面中心点像元像线，f为相机焦距，k为相机焦距到像元像线的转换因子。

根据图像处理结果可计算得到安全着陆点在相机坐标系下的视线方向矢量

以第i次成像时着陆器姿态为基准姿态，即姿态四元数qbi＝[0001]^t，利用imu陀螺角速度测量输出，进行姿态外推，得到ti+1时刻成像时相对ti成像的姿态为

其中为四元数乘法，δθbi+1|i＝||δθbi+1|i||，为从ti到ti+1时刻由陀螺测量得到的角度增量，ωbj|i为陀螺在ti+j·δt时刻测量得到的角速度，δt为imu测量更新周期，表示两幅下降图像成像间隔期间陀螺测量次数。

利用测速敏感器和imu测量输出进行外推可得到ti+1时刻相对于ti时刻着陆器位置在ti时刻本体系下表示为

其中表示由ti+j·δt时刻本体系到ti时刻本体系的转换阵，vbji为ti+j·δt时刻本体系下着陆器相对行星表面速度，可由测速敏感器和惯导外推得到，表示两幅下降图像成像间隔期间陀螺测量次数。

则可计算ti+1时刻安全着陆点在当前本体系下的表示为

其中

其中表示由ti+1时刻本体系到ti时刻本体系的转换阵。

在下一幅图像未获取前，通过导航外推可获取安全着陆点在当前本体系下的位置。即假设ti+1<tk<ti+2，则tk时刻安全着陆点在当前本体系下位置为

其中表示由tk时刻本体系到ti+1时刻本体系的转换阵，δrbki+1为tk时刻相对于ti+1时刻着陆器位置在ti+1时刻本体系下的表示。

由于着陆器相对于安全着陆点的速度等于着陆器相对于行星表面的速度，因此ti+1时刻着陆器相对于安全着陆点的速度vbi+1可直接由测速敏感器和惯导外推得到，当前时刻获得测速敏感器测量时vbi+1直接由测速敏感器测量确定，当前时刻未获得测速敏感器测量时则由惯导外推确定。

第三步，精避障闭环相对控制策略

一旦获取安全着陆点在着陆器本体系下的位置信息rlbi+1和着陆器相对于安全着陆点的速度信息vbi+1设计避障控制算法，得到着陆器本体下控制指令

ui+1＝-kprlbi+1-kdvbi+1(6)

其中kp、kd分别代表避障控制参数，根据避障对位置、速度精度要求和快速性要求等pid控制参数选取方式进行取值。

利用上述控制指令可实现对着陆器相对于安全着陆点的位置和速度进行三维控制，简化了避障算法设计，完成精确避障。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。