多源信息融合的地外天体表面巡视定位方法研究

According to the engineering requirements for future lunar and Mars exploration mission of China, we will study the key technologies of the rover navigation and localization based on the existing semi-automated teleoperation system developed in Chang’E-3 mission. By learning from the latest advances in graph-based image matching, learning based object detection and classification, constrained weighted total least squares adjustment solving, we will investigate our methods from the aspects of the integration of three different levels of cross regional, cross space and inter planet,and expect to make breakthroughs in efficient visual odometry, accurate correspondence of deformed and distorted images, multi-constrained adjustment operations with error data and data fusion with a variety of localization results, so that we can reduce the error rate of image processing, enhance error correction capability of adjustment solving and expand the verification means of localization. Thus, the difficulties in the autonomy, automation and reliability of navigation and localization system will be overcomed and the achievments can provide theoretical guidance and key technical support for rover navigation and localization in China's future moon and Mars mission.

针对我国未来月球和火星巡视探测任务的工程需求，研究对现有的半自动化月面遥操作导航定位系统进行改造升级的关键支撑技术，借鉴和引入近年来在图像匹配、特征提取、目标检测、数据处理和平差求解方面的最新方法，从跨区域、多传感信息融合的角度，研究和突破多类扭曲与形变图像配准和多种测量定位数据融合的关键技术，减少图像自动配准的错误率、提高海量图像特征平差定位精度、增强定位求解的纠错能力，为我国未来月球和火星巡视探测任务提供理论指导和关键技术支撑。

继嫦娥四号月球背面软着陆与巡视探测任务取得巨大成功之后，我国将在深空探测领域持续推进火星探测、月球极地探测和载人登月等重大国字号工程。探测车作为历次巡视探测任务的活动主体，将在未来任务中发挥更加突出的作用，而基于多传感信息融合的导航定位将是确保探测车安全行驶和完成探测任务的核心保障。本课题面向未来行星表面巡视导航定位需求，研究了大间距行进模式下复杂仿射图像的匹配技术和基于惯导与视觉信息融合的实时导航定位方法，为我国后续行星探测任务提供理论和技术支撑。主要研究内容包括以下两个方面：.一是提出大间距拍摄图像的仿射差异影响特征匹配性能的分析方法，建立了像素空间尺度与摄影光线长度和观测面法线方向角的关系模型；设计了基于相邻张量的超图匹配方法，通过引入高阶结构约束提升了特征匹配的可靠性，解决了复杂仿射变形图像配准问题，实现了月球车大间距行进中的自动定位。.二是研究了多传感器数据融合的导航定位方法，提出了一种基于候选域约束的特征匹配与建图策略，有效避免了相似特征的大范围搜索与错配，极大地提高图像特征的正确配准率；提出了基于损失函数的双目视觉与惯导（IMU）融合定位方法，弥补了序列图像特征跟踪中因局部几帧图像质量不好而导致的定位异常问题，实现了光照条件不好、运动比较剧烈情况的容错处理与精确定位。.基于上述研究内容，发表期刊论文2篇、会议论文7篇，已接收期刊论文2篇，其中SCI检索1篇，EI检索4篇，中文核心期刊2篇；申报国家发明专利5项，获省部级科技进步二等奖1项；正在期刊修改后审稿状态的论文2篇，拟投稿的论文2篇。研究成果已成功应用于我国嫦娥四号月面巡视探测任务，并将在我国未来行星探测任务持续应用。