[發(fā)明專利]未知環(huán)境下行星著陸的曲線匹配視覺(jué)導(dǎo)航方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811310255.2
• 申請(qǐng)日: 2018-11-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109269511B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔平遠(yuǎn);高錫珍;朱圣英;劉陽(yáng);徐瑞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/24
• 分類號(hào): G01C21/24
• 代理公司: 11639 北京理工正陽(yáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 鄔曉楠

1.未知環(huán)境下行星著陸的曲線匹配視覺(jué)導(dǎo)航方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：建立著陸器運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；

步驟2：建立基于幀間曲線匹配的測(cè)量模型，用于實(shí)現(xiàn)著陸器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更新；

步驟3：結(jié)合步驟1建立的著陸器運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和步驟2建立的基于未知曲線特征的測(cè)量模型，利用卡爾曼濾波算法對(duì)著陸器的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)未知環(huán)境下星際著陸自主導(dǎo)航，保證著陸器精確安全著陸；

步驟1具體實(shí)現(xiàn)方法為，

為了描述著陸器在空中的位置和姿態(tài)以及其與目標(biāo)天體表面視覺(jué)特征之間的相對(duì)幾何關(guān)系，并定義著陸器在相關(guān)參考系中的運(yùn)動(dòng)方程，首先引入如下相關(guān)坐標(biāo)系：著陸點(diǎn)坐標(biāo)系{L}，導(dǎo)航相機(jī)本體坐標(biāo)系{C}和著陸器本體坐標(biāo)系{B}；著陸器的位置和姿態(tài)參數(shù)都在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系中描述；著陸器本體坐標(biāo)系與導(dǎo)航相機(jī)坐標(biāo)系重合，即光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)與著陸器的安裝矩陣為單位陣；不考慮行星自轉(zhuǎn)影響，利用IMU測(cè)量信息建立著陸器著陸運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

其中慣性信息加速度a_imu和角速度ω_imu測(cè)量模型為

其中，^Lr和^Lv分別表示著陸器在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下的位置和速度；為姿態(tài)四元數(shù)，是著陸點(diǎn)坐標(biāo)系到著陸器本體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，簡(jiǎn)寫為C(q)；^Lg為引力加速度，n_g為引力加速度擾動(dòng)；b_a和b_ω分別表示加速度計(jì)和陀螺儀零偏；n_a和n_ω分別是加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量噪聲；n_wa和n_wω分別為加速度計(jì)和陀螺儀偏差噪聲；^La表示除引力外作用于著陸器上的合力產(chǎn)生的加速度；^Bω表示著陸器本體坐標(biāo)系下著陸器相對(duì)著陸點(diǎn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；對(duì)于任一角速度ω＝[ω_x ω_y ω_z]^T，Ω(·)定義為

步驟2具體實(shí)現(xiàn)方法為，

著陸區(qū)域近似平面，隕石坑在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系{L}下表示為

其中為著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下隕石坑邊緣上的任一點(diǎn)；

采用小孔成像模型，著陸平面上的任一點(diǎn)^Lx＝[^Lx ^Ly ^Lz]^T在第i幅下降圖像中的像點(diǎn)u＝[u v]^T為

其中σ為非零常數(shù)，f為相機(jī)焦距，R_i＝C(q_i)；

由于著陸區(qū)域近似為平面，則^Lz＝0，式(4)寫為

其中

其中^Lr_i^x,^Lr_i^y,^Lr_i^z表示著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下著陸器位置分量；

隕石坑在第i幅下降圖像中表示為

則由式(3)，式(5)和式(8)，得隕石坑像曲線E_i為

因此在第i幅下降圖像中第j個(gè)隕石坑的測(cè)量表示為

其中為隕石坑邊緣曲線參數(shù)，為測(cè)量噪聲，vech(·)表示對(duì)稱矩陣的向量化形式，vec(·)表示任意矩陣的向量化形式，矩陣Η為vech(·)與vec(·)之間的轉(zhuǎn)換矩陣，

由于隕石坑絕對(duì)位置信息Q未知，式(10)不能直接用于狀態(tài)估計(jì)；

隕石坑Q在連續(xù)兩幅下降圖像中均被觀測(cè)，著陸器在t₁和t₂時(shí)刻觀測(cè)的隕石坑像曲線分別為

由式(13)和式(14)得

隕石坑在t₂時(shí)刻測(cè)量模型為

其中為測(cè)量噪聲，