基于陨石坑匹配的月球精确着陆导航方法研究-航空宇航科学与技术专业论文.docxVIP

Classified Index: V448.233 U.D.C: 620 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON CRATER MATCHING BASED NAVIGATION METHOD FOR LUNAR PRECISE LANDING Candidate： He Jiang Supervisor： Prof. Cui Hutao Academic Degree Applied for： Master of Engineering Specialty： Spacecraft Design Affiliation： Spacecraft Dynamics and Control Institute Date of Defence： 1 July, 2010 Degree Conferring Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 I I 摘 要 陨石坑是月表最为显著的地形特征，将其作为导航陆标有助于提高月球 软着陆导航的精度。本文对基于陨石坑匹配的月球精确着陆导航方法进行了 重点研究。主要内容包括陨石坑检测、陨石坑匹配及基于陨石坑匹配的导航。 针对导航应用，研究了基于图像边缘信息的陨石坑检测算法，包括边缘 检测、边缘筛选、边缘分组及椭圆拟合。针对算法对成像条件适应性差的问 题，引入多尺度自适应高斯滤波降噪算法、以及基于图像梯度幅值直方图的 自适应 Canny 边缘检测算法，对已有陨石坑检测算法进行了改进，得到自适 应陨石坑检测算法。真实月表图像的仿真实验表明，改进后的检测算法对不 同光照及地形条件下的陨石坑图像具备了自适应功能，克服了以往算法对成 像条件容许能力差的问题。 对陨石坑的匹配，利用二次曲线对仿射不变量，研究了基于投票策略的 陨石坑匹配算法。针对可能出现的误匹配及失配情况，提出了基于闭合曲线 面积仿射特性的匹配校正算法。利用多幅真实月表图像进行的实验结果表明， 陨石坑匹配及校正算法的匹配率达 85%以上，误匹配率小于 5%。 基于陨石坑匹配的导航方面。首先研究了基于光学测量的相对导航方法， 该方法通过光学相机对四个或四个以上位置已知陆标的视线方向矢量进行测 量，从而确定探测器的位置及姿态信息。接着，针对实际应用中光学导航和 惯性导航各自的不足，结合陨石坑的检测和匹配，研究了基于陨石坑匹配/IMU 组合的导航算法。算法通过扩展卡尔曼滤波对光学及惯性测量量进行整合， 提高了导航输出的更新速率；同时，借助光学观测实现了对速率陀螺漂移偏 差的修正，从而得到精确的角速率测量值，便于对探测器进行实时控制。仿 真结果表明，基于陨石坑匹配/IMU 组合的导航方法精度较高，位置估计误差 在米级范围内，能够满足月球精确着陆的精度要求。 关键词：月球软着陆；陨石坑检测；陨石坑匹配；光学导航 II II Abstract The precision of navigation could be boosted largely when craters are used as navigational landmarks in lunar soft landing since their distinct features. This dissertation focuses on the crater matching based navigation method of lunar precise landing. The contents mainly consist of crater detection, crater matching and crater matching based navigation. Aiming at the navigational application, we present an edge information based crater detection algorithm, which consists of edge detection, edge selection, edge pairing and ellipse fitting. For the problem of poor adaptability to imaging conditions, the algorithm is improved by introducing Multi-scale Adaptive Gaussian Filter and Adaptive Canny Operator based on