星际着陆自主特征点跟踪策略及误差分析

利用光学相机实现自主、精确、安全的星际着陆是当今深空探测的研究热点和难点。目前以特征点跟踪为基础的导航及障碍检测算法大都以特征点能够稳定跟踪为前提和假设，没有考虑能够跟踪的必要条件，且缺乏对成像因素误差大小与导航及三维重构精度之间关系的理论推导。针对以上情况，本项目拟推导出能实现稳定特征跟踪的必要条件，进一步研究星际着陆过程中相机内外参数、拍照时机、图像数量、特征点个数、构型、匹配精度等因素对导航和三维重构精度的影响，分析不同拍照条件下导航精度以及能够分辨出的最小障碍及其误差范围，最后综合上面两方面的研究结论，针对导航和避障精度的具体要求，分析各个因素的影响大小，对整个着陆过程进行拍照时机规划，并在保证精度的前提下，优化特征跟踪策略，提高运算速度。本课题的研究将进一步完善星际着陆的自主导航和三维地形重构算法，为实现自主、精确、安全着陆提供更充分的理论依据和技术保障。

实现探测器对火星、小行星等深空天体的自主着陆是目前国内外研究的热点，我国在此方面的研究和成果与美国、欧洲、日本等国家和地区还有较大差距。本项目对星际着陆过程中利用星表特征跟踪进行视觉自主导航的相关问题进行了深入研究，着重研究了星表特征的提取、匹配，相关导航方法和误差传播规律，为我国进一步实现火星、小行星等星际着陆任务的自主视觉导航提供了一定的理论依据。 首先，针对星际着陆特征跟踪过程中利用特征点作为路标进行导航的过程，从匹配稳定性和提取快速性两方面进行研究：①提出利用全仿射不变的特征提取算法进行星表特征匹配，特别适用于相机视角大角度变化或小天体自旋引起的仿射变换图像间的匹配，相邻图像间可得到上千个匹配特征点。②对特征点提取中的局部极值搜索方法进行改进，平均减少重复搜索50%，在保证提取效果不变的基础上，提高了提取速度。第二，针对特征点个数众多、不适合大尺度变化的情况，提出了一种基于尺度不变的曲线描述及匹配方法。该方法对旋转、缩放、视角变化及光照影响比特征点匹配算法具有更强的鲁棒性，为着陆过程中的特征路标提供了新的选择。接着，对星表曲线纹理特征分别进行直线、二次曲线特征的提取、匹配，进而得到几何约束方程以及克里内克积约束方程，然后使用最小二乘法和奇异值分解求解，进行校正后得到着陆器的位置、姿态，通过仿真分析了各种误差因素的影响。第三，为保证相邻帧间图像有重合区域，完成特征的跟踪，推导出能实现特征跟踪的位置、姿态必须满足的约束条件。在此基础上，利用最小二乘算法对着陆器的水平速度进行了鲁棒估计，结果优于勇气号的着导航精度。第四，针对相邻帧间的相对导航和多帧图像的因式分解算法（包括三维重构），利用矩阵扰动理论推导出运动估计算法误差传播规律的解析表达式，为拍照时机规划提供了理论指导。最后，对路标几何构型的布局建立了相应的数学模型，根据有限截断理论以及矩阵相关性质，提出一种基于条件数和行范数的有限逼近算法，为特征路标的优化选择提供了一定的理论基础。