基于结构光扫描数据点的内表面重建方法

提出基于结构光扫描获取的特征点重建物体内表面的方法.结构光扫描获取原始数据精度较高,但是存在数据密度不均的问题.通过剔除测量方向部分冗余数据点和插补扫描方向的稀疏数据,对原始三维数据密度进行适当调整,然后采用基于局部切平面簇的方法对调整后的数据点云进行表面重建.在某一特征点的邻域构造对应于该点的局部切平面,通过局部切平面簇逼近原始表面,采用Marching cubes算法提取等值面,得到三维表面重建的初始网格,根据优化算法简化网格,并采用Loop细分法平滑网格,获得描述物体表面特征的重建表面.该方法解决了由结构光扫描获取的不均匀原始数据点重建物体内表面的问题.      

一种点扫描形貌测量系统的现场标定方法

针对三角法点扫描形貌测量系统结构参数标定的非线性问题,提出并实现了一种简单易行的系统结构参数现场标定方法.利用二维靶标在测量空间内自由摆放,根据靶标上特征点及其像点间的位置关系,基于坐标系转换实现了点扫描形貌测量系统结构参数的精确标定.通过对平面及已知直径圆柱面进行测量,利用测量点到拟合平面或圆柱面的距离评价了系统标定的精度.所提标定方法无需精密调整靶标位置,具有较高的可靠性与实用性;也可用于其它基于三角法原理的三维形貌测量系统结构参数的标定.     

自研激光雷达三维点云配准技术

为了实现激光雷达点云与图像重建点云的三维空间配准,基于自研三维扫描激光雷达系统,提出了新型的快速多尺度因子（FMSR）点云配准算法,研究了空间点云配准技术。该算法主要包括初始配准和精确配准2个步骤:初始配准使用基于尺度自适应关键点质量（ASKQ）的点云特征提取算法,提取关键点的特征匹配对,求解点云配准初始参数;精确配准利用K-邻近（KNN）算法全局搜索,提升计算效率,多次迭代得到2组点云之间的最优旋转矩阵、最优平移向量和最优尺度因子。仿真和实验结果表明,所提出的算法对空间目标（尺寸为20.30 m×7.85 m×26.56 m）实现空间点云配准,配准精度达到0.194 m,运行时间为16.207 s;与多尺度迭代最近点（S-ICP）算法相比,配准精度提高了0.131 m,运行时间提高了30%。所提出的空间点云配准技术可为场景重建和纹理匹配提供算法基础。      

图像法求液滴表面张力和接触角

空间流体实验具有无人操作的特殊性,需要对监控图像进行实时处理,得到目标参数.本文研究了利用照相机捕捉到的液滴灰度图像,分析求取液滴的表面张力、接触角、体积等物理参数的方法.针对液滴的灰度图像,利用边界提取、域值分割等图像处理方法,得到液滴的基本轮廓.建立基于液面像素点坐标的拉普拉斯方程,运用牛顿一拉夫逊法、龙格-库塔法、坐标轮换法等多种数值方法,对液滴的边界进行拟合,寻求最优的轮廓拟合点.根据最优的拟合点,确定液滴的物理参数.提出了利用牛顿法与一维寻优相结合的算法进行轮廓拟合的方法,并与文献[1]提出的算法进行了比较,证明了该方法具有收敛速度较快,拟合精度较高的特点.该方法是实现空间蒸发液滴热毛细对流和接触角测量实验的一项关键技术,同时也可以运用到非接触测量的实验场合.      

一种适用于平动点周期轨道初值计算的简化路径搜索修正法

在限制性三体问题中，路径搜索修正法是一种基于平动点周期轨道垂直穿越Poincare截面的几何对称性计算平面及空间平动点周期轨道近似初值的方法.采用路径搜索修正法的一种简化形式，在圆形限制性三体模型中，对地月系中几种典型的平面及空间周期轨道近似初值进行了计算.结果表明，该简化方法得到的周期轨道近似初值不唯一，由近似初值经微分修正得到的精确结果中通常同时存在Halo轨道和大幅值逆行轨道（DRO）.进一步分析表明，在某些临界初值下，精确结果中Halo轨道将消失，同时可能出现平面Lyapunov轨道及Vertical轨道.上述计算中，搜索初值与结果中轨道类型的对应关系值得进一步研究.      

基于球投影的面阵探测器扭转角测量与校正

为了消除基于面阵探测器的锥束X射线计算机断层成像(XCT,X-ray Computed Tomography)检测系统中探测器的安装误差对重建断层图像的影响,使投影坐标系准确建立,并与重建坐标系精确配准,提出了基于椭圆拟合的平板探测器位姿参数的估计方法.并在此基础上,从锥束XCT的近似重建算法FDK(Feldkamp)出发,结合空间坐标变换原理,改进了重建算法中投影地址的计算方式,使之能在存在安装误差的情况下准确计算投影地址,重建出正确的断层图像.该方法简单有效,计算量小,无需对系统硬件进行调整.实验结果表明,利用该方法可以有效地消除由于探测器位姿引起的图像伪影.     

三维CT重建几何参数的非线性最小二乘估计

重建几何参数的精度是3D-CT(Three Dimensional Computed Tomography)重建中严格控制的指标,在实际的X射线扫描成像中,这些参数无法直接测量得到,从而难以保证其精度.介绍了利用非线性最小二乘估计Feldkamp三维重建几何参数的方法,根据空间质点质心的投影位置与其投影的质心位置重合的原理,通过计算空间质点(实验中采用近似质点的目标体)投影质心坐标,求解非线性方程组估计重建几何参数的最优解.计算机模拟结果表明,在参数向量初始值接近于真值的情况下,估计所得参数值有较好的精度和重复性.利用此方法估计所得实际扫描系统的几何参数值进行三维重建,也得到了很好的重建结果.     

三维真实地形环境下无人机救援航路规划方法

利用无人机(UAV)的三维飞行能力,采用优化方法规划路径,能够使其在救援任务中比地面车辆以更短的时间到达救援区域,提高救援效率.针对真实的地理环境,根据无人机约束采用均匀化网格方法进行地形建模,之后根据地形数据的特点设计适合数学计算与求解的数据结构.最后设计了包含偏离代价、高度代价、地形跟随/回避代价、威胁代价和安全距离代价的综合性能指标函数,并采用航路点交叉和网格搜索代替航路点搜索的方法,对蚁群算法进行改进完成航路规划.仿真结果表明:本文方法能够直接处理三维地形数据,在保持地貌的前提下,完成了无人机的三维航路规划任务,得到满足无人机约束的三维最优航路,提高了航路规划方法的实用价值.      

曲线曲面的若干几何处理基础算法研究

给出了实用的曲线曲面的离散、投影、直线－圆环求交，空间直线距离计算等算法，曲线用密切圆逼近，采用差商计算离散点参数，算法速度快，根据几何性质构造了点的投影及曲线投影跟踪算法，用拟牛顿法加大收敛范围，利用相关性减少迭代次数，采用矢量方法和局部坐标系技巧，如空间直线间距离计算，直线－圈环求交等常用算法十分简洁。     

月球软着陆的时间最优安全着陆区搜索算法

以时间为最优参数,提出了一种模拟人类在月球软着陆过程中识别障碍物、选择安全着陆点的思维模式,利用高程图寻找安全着陆点的软着陆算法。综合考虑着陆器能容忍的障碍物高度、粗糙度、坡度和着陆器的水平机动距离,根据时间最优设计算法,计算简单、速度快、可靠性高。仿真结果表明了算法的正确性和可靠性。     

A new approach based on crater detection and matching for visual navigation in planetary landing

This paper provides an approach of crater detection and matching to visual navigation in planetary landing missions. The approach aims to detect craters on the planetary surface and match them to a landmark database during the descent phase of a planetary landing mission. Firstly an image region pairing method is proposed to detect the crater by using an image region feature detector. Then a WTA-rule is adopted to match the detected crater to the crater in database. To further reduce the false matching rate, an efficient method for reducing false matches using parameters of crater in 3-D database is proposed. Real images of planetary terrain and a semi-physical planetary landing simulation platform are utilized to test the performance of the approach, simulation results show the proposed approach is able to match the required number of craters to the database for pin-point planetary landing with a low rate of false detection and false matching, which will lead to an improved planetary landing precision.     

基于小行星地形特征库的自主测距与定姿方法

首先建立全景着陆区域地形特征数据库,包括了特征点的经纬度、图像纹理信息、各个特征点之间的位置相关特性等;随后提取探测器下降过程中拍摄得到的地形特征,在图像数据库中进行匹配,解决了因小行星自转周期较短产生的特征点溢出视野问题,提高了光学测量的适用性;最后结合匹配点的位置信息通过计算机视觉测距原理获取探测器和小行星之间的相对位置和相对姿态。数学仿真实验验证了方案的可行性。     

环月降轨实现月面着陆的控制策略

针对探测器实现月面着陆的问题，对环月降轨轨道控制策略进行了研究。根据环月降轨的控制方程，将环月降轨单脉冲控制变量的不同组合与月面着陆目标参数建立了3种关系；建立了定时定点月面着陆、定点月面着陆和目标纬度区域月面着陆3种环月降轨控制策略，并给出了控制策略求解算法和步骤。针对定点月面着陆，单脉冲对半长轴和近月点高度进行组合控制，分析了环月降轨控制解空间。针对标称环月轨道/-偏差环月轨道/+偏差环月轨道，分别进行了定时定点/定点/目标纬度区域3种月面着陆的控制计算，验证了环月降轨控制策略。可应用于月球着陆、月球采样返回及载人登月等实施月面定时定点着陆任务的轨道控制。      

基于Unity3D的月面复杂地形场景构建及模拟驾驶系统

为了验证未来复杂月面地形操控技术方案,本文基于Unity3D物理引擎对月表模型、月球物理环境以及月面光照环境进行了模拟,设计并开发了一套用于模拟月球自主进行着陆点选址以及在线航天器着陆轨迹规划的模拟系统。模拟系统的工作过程包含了：基于面阵雷达与立体相机信息融合的局部月表重建,基于3D重建结果的月表地形着陆代价的快速评估与自动着陆选址,以及使登陆器能够到达选址目标的最优燃料消耗着陆运动规划,实现了月球着陆器短距离自主选址着陆的模拟系统构建,同时也从仿真的角度初步验证了“地形重建-地形评估-自主选址-软着陆”这一自主着陆过程的可行性。     

火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制方法研究

针对火星定点采样、载人登陆和基地构建等任务的需求,提出了一种火星精确定点着陆多信息融合自主导航与控制(Guidance Navigation and Control,GNC)方案。针对大气进入前的高精度导航需求,提出了基于X射线脉冲星和火星表面陆标图像的融合自主导航方法;针对火星着陆探测进入、下降和着陆(Entry,Descent and Landing,EDL)过程的高精度绝对和相对导航需求,提出了基于陆标图像、IMU(Inertial Measurement Unit)和测距测速信息的多信息融合自主导航方法;针对精确定点着陆要求,设计了大气进入和动力下降过程的制导与控制算法。数学仿真结果表明,提出的方案能够实现高精度的定点着陆(精度100 m)和相对避障(精度为0.5 m),可满足任务需求。     

基于月面单幅图像的软着陆障碍识别与安全区选取方法

针对月球软着陆自主避障的需求,提出了一种适合月球灰尘表面的改进优化Hapke模型,给出了相对高程的求解、障碍识别与安全区选取方法,解决了已有纹理法无法识别坡度的问题,实现了利用单幅图像的月面着陆障碍识别与安全区域选取。利用月球软着陆下降段仿真图像,进行了模型解算和三维高程恢复并计算安全区域,结果表明,利用月面单幅图像能够实现障碍的识别与安全区的选取。     

一种地外天体路标图像的稀疏化表征方法

摘要： 针对用于地外天体着陆视觉导航的路标图像信息存在的计算量大和占用存储空间大等问题,提出一种路标图像的稀疏化表征方法.引入着陆路标图像的尺度估计和尺度变换,采用Harris 算法提取路标特征点,改进了FREAK特征描述子用以稀疏化表征天体路标信息;并针对图像旋转、尺度变化、图像噪声和尺度估计误差4种外界干扰,仿真对比改进算法与原FREAK算法、SURF算法的性能.仿真结果表明：提出的算法大幅减少计算量和特征描述子所占用的存储空间,同时能够正确匹配到更多的路标特征,鲁棒性更好,更适合地外天体着陆任务应用.     

基于多源影像的探测器月面着陆点定位与精度验证

探测器月面着陆点高精度定位是探测器着陆的重要技术环节，也是地外天体探测器开展各项工作的重要前提.本文基于多源图像数据，利用图像特征匹配和多重覆盖影像定位技术，设计了探测器月面着陆点高精度定位方法，并使用嫦娥三号任务相关影像进行了定位实验与精度验证.在高精度图像匹配和几何变换的基础上，降落相机序列影像间的匹配精度达到子像素，LRO NAC影像与中分辨率降落图像的匹配精度优于1pixel，最终解算的嫦娥三号探测器着陆点坐标为（44.1196°N，19.5148°W）.本文方法综合利用了多源图像数据，不完全依靠着陆区DOM底图的制图精度，是对影像与DOM底图配准定位结果的进一步精化，在未来的月球着陆探测任务中具有应用价值.