行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航研究进展

基于行星定点软着陆探测任务的需求,围绕复杂形貌行星着陆过程环境特点,首先分析了行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航所面临的主要技术挑战,随后综述了行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航的研究现状,并概括了行星着陆复杂形貌特征匹配与自主导航所涉及的关键技术。最后对未来行星着陆探测复杂形貌特征匹配与自主导航发展方向进行了展望。     

地外天体着陆巡视探测自主智能技术进展

以月球、火星和小行星等地外天体着陆巡视探测任务为背景，对自主智能技术的发展现状、应用情况与未来趋势进行了分析研究。回顾了目前国内外地外天体着陆巡视探测任务的实施情况；从导航定位与环境感知、轨迹优化与制导控制、自主探测与路径规划、故障诊断与自主处理等四个方面，阐述了该领域自主智能技术的研究现状，并对未来发展态势进行了展望。     

行星着陆动力下降段相对视觉导航方法

针对行星着陆动力下降段视觉导航自然路标匮乏的问题,提出了一种相对视觉导航方法。该方法利用相机和雷达的测量信息构建相对导航坐标系并求解随机视觉特征点在该坐标系下的位置矢量,利用求解得到的特征点为导航参考,设计相对导航系统,估计着陆器在相对导航坐标系下的位置、速度及姿态信息。同时,构建可观性矩阵,解耦分析位置和姿态的可观性。通过可观性分析可知利用相对导航坐标系下的一个随机特征点即可实现着陆器全状态可观。最后通过仿真分析着陆器状态误差,验证了可观测度理论分析及导航性能。该相对导航方法无需行星地形数据库,且可以实现着陆器全状态的高精度估计,满足行星精确软着陆的需求。     

小型空天飞行器制导导航与控制系统方案

针对地面垂直发射、可长时间在轨运行和轨道机动、再入稠密大气层并水平着陆在机场跑道上的小型空天飞行器,研究其制导导航与控制系统方案.分析其在轨运行、离轨、再入、末端能量管理、自主进场着陆、地面滑跑等各阶段的制导、导航与控制系统任务需求,根据任务需求提出相应的制导导航与控制系统组成方案,并阐述制导导航与控制系统的工作原理.理论分析结果表明,提出的制导导航与控制系统方案满足飞行器各阶段的任务需求,合理可行.     

小型无人机自主飞行控制系统的实现

介绍了5kg级小型无人机的结构原理,分析了无人机自主飞行控制系统的结构、功能、特点及控制原理,采用嵌入式系统、GPS、电子罗盘和红外传感器等设计了无人机的飞行姿态控制、导航控制、任务控制系统和弹射与伞降系统。大量飞行实践和比赛飞行表明,这种小型无人机可执行既定任务并具有良好的场地适应性和自主飞行性能。     

一种行星车视觉导航系统的立体校正算法

针对行星车软着陆过程中,视觉导航系统参数变化后星面再标定难度大的问题,在传统立体校正算法基础上提出了一种适用于行星车视觉导航的弱标定立体校正算法。算法利用地面标定结果和对应匹配点进行优化计算,约束校正矩阵形式,保证了校正结果为以光心为投影点的单应变换,并进一步简化参数,降低计算复杂度。在理论上证明了算法的正确性,实验验证了算法的有效性。实验结果表明,算法校正结果与已知相机内、外参数的欧几里德校正方法性能相当,校正误差和校正畸变均较小,满足行星车视觉导航系统要求。     

一种基于光流计算的机器人视觉与行为模型

主动环境探测与准确的行为控制近来已成为机器人领域的重点研究课题，它直接关系到机器人对环境的适应能力，以及能否根据周围环境做出及时、准确的动作规划。该研究背景是月球探测机器人的智能导航，阐述了如何建立机器人视觉与电机行为关系的视觉与行为模型。在此模型中，机器人根据运动所引起的地面图像光流场变化来计算当前机器人运动状态。在实验室环境中，该方法具有运行速度快，工作稳定等特点。这种视觉与行为模型可以用于今后的自主机器人主动目标跟踪和动态避障等实际导航项目中，具有一定的现实意义。     

面向不确定环境的航天器智能自主控制技术

针对智能自主控制系统所涉及的自主感知技术、自主决策技术和控制执行技术的研究现状进行了分析和总结,剖析了目前航天器控制系统在应对不确定环境时面临的困境。结合未来空间任务对航天器能力的需求,提出了一种新型"感知-演化-决策-执行"(OEDA)星上闭环控制框架,探讨了其特点和功能,进一步阐述了OEDA控制框架中所涉及的理论与方法,最后分析了该控制框架实际应用和进一步发展需解决的关键科学问题。     

应用引力梯度测量的火星中低轨道航天器自主导航

针对目前行星附近(行星周围中低轨道高度)的自主导航手段有限,且主要依赖地面设备的支持,导航自主性和实时性比较差,精度不高,无法满足未来探测任务的需求的问题,文章提出了使用引力梯度这种天体本身的物理信息对近地行星附近的航天器进行导航的方法。并以火星附近的导航为算例,采用了全新的120阶火星引力场模型计算引力梯度;使用特征值分解法从引力梯度张量矩阵中提取位置信息,并使用非线性迭代方法解算出高阶引力场模型下的精确位置;最后得出在300km火星轨道上,100mE和10mE噪声水平下,三维导航精度分别可以达到300m和30m以内。该导航方法完全自主,并且导航精度高,实时性好,导航结果可靠,有望应用于近地行星的探测任务。     

采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法

针对缺少行星表面陆标位置和探测器初始状态等先验信息情况下行星着陆导航问题,提出一种采用双目视觉测量的行星着陆相对导航方法。首先,利用行星表面陆标的双目视觉测量信息建立相对导航坐标系并计算陆标在相对导航坐标系下的位置,然后利用基于奇异值分解（SVD）的优化方法得到探测器在相对导航坐标系下的初始状态估计,最后利用陆标的视觉测量信息估计探测器在相对导航坐标系下的位置、速度和姿态。以火星着陆为例进行数学仿真分析,仿真结果表明本文提出的方法是有效可行的。     

月面巡视器的任务层路径规划

使用巡视器对月球表面进行巡视探测是一种高效率、低成本的月球探测方法。路径规划作为巡视器的一项重要技术,通常把它作为导航系统的一部分,只考虑地形通过性的问题。实际上除了地形通过性,还有很多因素对路径选择起到决定性的作用。针对月面巡视器,在大范围区域综合考虑地形、能源、热控、通信等全局因素,给出了一种新的路径规划方法——实时贪婪（Realtime Greedy,RG）算法。运用该算法得到了任务层路径,为巡视器的导航系统提供路标点,并为巡视器的动作安排提供了依据。     

月球车的视觉和自主导航系统

基于当前对于月球车、火星登陆机器人等的研究结果，介绍了月球车的视觉系统、控制方案和路径规划方法，并提出了对于月球车的控制方案的见解和路径规划的一些方法。     

基于粒子群优化算法的月面巡视器全局路径规划

在月面巡视器遥操作系统中,路径规划分为任务级路径规划、全局路径规划和局部路径规划。根据巡视器全局路径规划的应用要求,引入粒子群优化算法应用于全局导航点的规划。针对粒子群算法在路径规划中容易造成不收敛或病态收敛的问题,对算法进行了修改,去掉了速度更新中的速度惯性因子,只保留自身认识因子和社会认识因子,使其在全局路径规划中能够快速收敛;同时引入经典遗传算法中的变异因子以增强算法的全局优化能力。仿真结果表明该算法具有计算简单、全局寻优能力强等特点,能够快速地找到优化的全局导航点。同时在不同的模拟月面地形上进行仿真试验,针对存在的问题提出了对应的二次优化方法,结果表明该方法较好地满足了巡视器全局路径规划的应用需求。     

An innovative high accuracy autonomous navigation method for the Mars rovers

Autonomous navigation is an important function for a Mars rover to fulfill missions successfully. It is a critical technique to overcome the limitations of ground tracking and control traditionally used. This paper proposes an innovative method based on SINS (Strapdown Inertial Navigation System) with the aid of star sensors to accurately determine the rover?s position and attitude. This method consists of two parts: the initial alignment and navigation. The alignment consists of a coarse position and attitude initial alignment approach and fine initial alignment approach. The coarse one is used to determine approximate position and attitude for the rover. This is followed by fine alignment to tune the approximate solution to accurate one. Upon the completion of initial alignment, the system can be used to provide real-time navigation solutions for the rover. An autonomous navigation algorithm is proposed to estimate and compensate the accumulated errors of SINS in real time. High accuracy attitude information from star sensor is used to correct errors in SINS. Simulation results demonstrate that the proposed methods can achieve a high precision autonomous navigation for Mars rovers.     

一种三维地形特征提取和匹配方法

针对行星漫游器地形相关导航中的地形匹配问题,提出一套三维地形特征提取匹配方法。该方法通过特征邻域散布矩阵特征值检测凸起和凹陷地形,以特征间距离和方向为元素构成三维特征描述集合,并引入集合相似理论判别特征是否匹配。由于采用特征之间的相对位置关系描述特征,从而提高了稀疏三维点云条件下地形特征的显著性。仿真结果表明,对于激光雷达（LiDAR）获取的三维地形数据,所提方法在特征重复检出率和正确匹配率方面优于现有方法,能够满足行星漫游器导航对地形匹配的要求。     

一种小天体表面阴影区的鲁棒匹配算法

鉴于软着陆小天体过程中自主光学导航的状态估计问题,提出了一种针对小天体表面阴影区的提取与鲁棒匹配算法。首先,提取出阴影区中相对稳定的区域;然后,对提取出的阴影区域进行仿射归一化;最后,对仿射归一化后的阴影区域用多角度尺度不变特征变换（Multiple Angles Sift,MA-SIFT）描述子进行特征提取,并进行匹配与错匹配去除。在试验中,本文算法与SIFT算法进行了对比,结果表明,当图像间出现较大的视角变化时,利用本文算法能得到较高的正确匹配率。     

应用灰度特征的行星陨石坑自主检测方法与着陆导航研究

针对陨石坑阴影不明显的行星着陆导航图像,提出了基于图像灰度值特征的陨石坑自主检测方法,通过兴趣区快速确定陨石坑边缘分布,解决了一般陨石坑检测方法对图像太阳高度角的依赖问题。利用检测出的陨石坑视线信息,采用非线性预测滤波方法估计着陆器着陆阶段的位置和姿态;鉴于视觉着陆导航对照了场景状况的高度依赖性,提出了一种利用分形理论和相邻点分级方法的天体随机地景建模方法。最后验证了所提方法的有效性。     

基于三维地形匹配的月球软着陆导航方法研究

针对月球探测器定点着陆任务的需要,研究了基于三维地形匹配的导航方法。对三维地形匹配问题,将高程方差图局部极值点作为三维地形特征,在构建地形特征之间的相对位置与角度不变量的基础上,提出了基于投票的三维地形匹配策略。针对测量噪声统计特性的不确定性,将Sage\|Husa噪声估计算子与迭代卡尔曼滤波相结合,通过对测量噪声进行在线估计有效避免滤波精度下降甚至滤波发散的出现。数字仿真结果表明所研究的导航方法能够有效地实现探测器相对位置和姿态的精确估计。