基于天体表面非规则纹理特征描述的着陆器自主视觉导航方法研究

Future planetary precision landing puts forward higher requirements on autonomous navigation. Autonomous vision-based navigation which is the future-oriented technology is an important method in the landing phase. In order to overcome the weaknesses of the traditional landmarks, such as feature points or craters, this project intends to use irregular texture edges as the landmarks, which distribute widely and have significant characteristics on the surface of the planet. This project will develop the theory of the autonomous vision-based navigation method base on the irregular texture features matching results. The main contents include: (1) to get the mathematical description of the irregular texture edges by using spline interpolation curves and multiscale geometric analysis; (2) to estimate the absolute and relative position and attitude of the lander based on the formula derivation of epipolar geometry and multiple view geometry constraint under perspective projection with different mathematical descriptions; (3) to evaluate the model errors by introducing the Hausdorff distance and analyze the influence on navigation accuracy caused by all kinds of errors propagation and the navigation results will be further optimized by using the bundle adjustment. This project will provide referential significance for autonomous visual navigation of our future planetary high precision landing. The new research approach and theoretical basis of the machine vision theory will be provided under this project as well.

未来深空探测星际精确着陆任务对着陆器自主导航技术提出了更高要求。视觉导航是自主着陆导航的重要手段和发展方向。本项目拟采用天体表面分布广泛、特征明显的非规则纹理边缘特征作为导航路标，克服特征点、陨石坑等传统路标的缺点和局限性，研究基于非规则纹理特征匹配的自主视觉导航相关理论方法。主要研究内容为：（1）利用样条插值曲线和多尺度几何分析等方法对非规则边缘纹理特征进行数学描述；（2）推导曲线特征的不同描述方法在透视投影下的对极几何、多视图几何的约束关系，进而对着陆器的绝对、相对运动的位置、姿态进行估计；（3）通过引入Hausdorff距离评价建模误差，分析各种误差传播规律及其对导航精度的影响，并利用光束法平差进一步优化导航结果，最终达到精确导航的目的。本项目可为我国未来星际着陆段高精度要求下的自主视觉导航提供一定的借鉴意义，也可为机器视觉理论的进一步发展与应用提供理论基础和新的思路。

自主视觉导航是深空探测器高精度自主着陆的重要技术手段，而传统的特征点、陨石坑等导航陆标存在各种缺点。本课题面向火星、小行星等星际着陆自主导航任务，考虑到星体表面可能存在的岩石、沟壑、山脊、陨石坑等各种纹理特征，提出了以星表不规则纹理曲线的作为导航陆标的自主视觉导航方法，主要研究内容包括不规则纹理曲线的匹配方法与不规则曲线特征自主导航两部分内容：.（1）提出深空导航曲线特征陆标快速提取及鲁棒匹配方法.定义了不规则曲线特征导航陆标，扩展了着陆段导航陆标的利用范围，完成曲线特征多变换不变性描述，使导航特征具有缩放、旋转、仿射及光照不变性；在曲线特征描述符加入曲率积分，提高了曲线匹配的精确度。利用“天问一号”、“毅力号”等着陆图像进行了验证，该算法能够实现着陆过程的曲线特征快速稳定连续跟踪。.（2）提出基于不规则曲线匹配的自主视觉方法.针对曲线特征的形状特性，利用B样条曲线对不规则曲线进行拟合，建立了不同曲线特征的极线几何约束关系，建立相应的视觉导航约束方程，完成了相应绝对导航与相对导航，分析了各种误差传播规律及其对导航结果的影响，设计了UFIR等滤波算法。仿真结果表明，在末端着陆段，位置估计误差在1m以内，姿态估计误差在0.2°以内。.本课题解决了传统导航陆标应用范围有限、计算量大、难以实现连续跟踪的难点，可为未来深空着陆自主导航提供理论依据和技术支撑。