一种基于星表特征直线匹配的着陆器位姿估计算法

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引 言
随着深空探测技术的不断发展，着陆段自主导航
区域基于陨石坑匹配的算法不能适用，例如 NASA 为 “ 火星 2020 ” 任务拟定的 3 个着陆点（如图 1 ～ 3 所示区 域）以及 “ 好奇号 ” 着陆区域（如图 5 所示区域）均不 适合利用陨石坑为导航路标；同时陨石坑的提取与匹 配算法较为困难、利用现有的匹配算法[11-12]，容易出现 误匹配的情况。星表的山脊、沟壑和其他近似直线的 纹理特征，比陨石坑分布更为广泛。这些特征地理坐 标可提前获取，因此可作为绝对导航路标。本文针对 着陆段导航，提出一种利用星表特征直线作为导航路 标的着陆器位姿估计算法，该算法从着陆图像中提取 出星表特征直线，与星表基准直线特征数据库（提前 建立）匹配3对以上特征直线，可计算出着陆器的位置 和姿态。
首先采用EDLine算法对着陆过程中所拍摄的图像进行特征直线提取；其次根据直线局部特征对特征直线进行匹配；之后利 用至少3对已匹配的特征直线，建立关于着陆器位姿的几何约束方程；然后根据奇异值分解法得到着陆器位姿的候选解；最 终通过最小二乘法从候选解中选取着陆器位置、姿态的唯一解。仿真结果表明：该算法可以快速估计着陆器位姿，且在高 度为2 000 m时位置误差小于2 m、姿态误差小于0.10°。 关键词：特征直线匹配；视觉导航；深空探测；直线描述符；星际着陆
si和ei分别为投影直线li的两个端点。 建立图 6 所示坐标系，选取着陆点坐标系作为世 界坐标系Ow Xw Yw Zw ，同时以光心为原点、光轴为Zc轴 建 立 导 航 相 机 坐 标 系 Oc Xc Yc Zc ， 而 局 部 坐 标 系 为
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特征直线的检测与匹配
本文采用Cuneyt Akinlar等[13]提出的EDline算法对
图 2 NASA“火星2020”任务候选着陆地点II Fig. 2 The second landing site workshop for the Mars 2020 rover mission
图5
根据“好奇号”火星探测器所拍摄的图像进行特征直线提取与 匹配效果图 Lines extraction and matching based on the image taken by “Curiosity”
第4卷第3期 2017 年 6 月
深 空 探 测 学 报
Journal of Deep Space Exploration
Vol. 4 No. 3 June 2017
一种基于星表特征直线匹配的着陆器位姿估计算法
邵巍，顾天昊
（青岛科技大学 自动化与电子工程学院，青岛 266042）
摘
要： 针对深空探测星际着陆过程中的自主导航问题，提出一种基于星表特征直线的着陆器位姿估计算法。该算法
Fig..1 基于平面特征直线位姿估计几何约束 本文假设已知星表匹配到的数据库特征直线
Li =(Vi , Pi )和像平面上投影直线 li = ( si , ei )，其中Vi为特
征直线 L i 的单位方向向量， P i 为特征直线 L i 上一点，
图 3 NASA“火星2020”任务候选着陆地点III Fig. 3 The third landing site workshop for the Mars 2020 rover mission
收稿日期：2017-04-15 修回日期：2017-05-31
图1 Fig. 1
NASA“火星2020”任务候选着陆地点I
The first landing site workshop for the Mars 2020 rover mission
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深空探测学报
第4卷
图4 Fig. 4
根据“勇气号”火星探测器所拍摄的图像进行特征直线提取与 匹配效果图 Lines extraction and matching based on the image taken by “Spirit”
中图分类号：V41
文献标识码：A
文章编号：2095-7777（2017）03-0281-06
DOI:10.15982/j.issn.2095-7717.2017.03.013
引用格式： 邵巍，顾天昊 . 一种基于星表特征直线匹配的着陆器位姿估计算法 [J]. 深空探测学报， 2017 ， 4（3）：281-286. Reference format: Shao W，Gu T H. A new approach based on line correspondences for attitude and position estimation of lander[J]. Journal of Deep Space Exploration，2017，4（3）：281-286.
已经成为现阶段的研究热点。由于传统惯性导航方法 存在误差积累以及初始误差难以修正的问题，难以实 现精确着陆的目标。近年来，视觉导航方法由于其自 身的可靠性、廉价性、自主性[1]成为世界各国航天领域 专家研究的热点并取得了大量成果[2-5]。 2004年美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory ， JPL ）设计的下降图像运动估计系统 （DIMES）首次利用对Harris角点的检测和匹配进行着 陆器的水平速度的估计 [ 6 ] ，并应用于 “ 机遇号 ”“ 勇气 号”，但该系统匹配算法稳定性较差，并在估计水平速 度过程中丢失了一对匹配点。同时，其它基于特征点 匹配的导航算法也被不断发展创新 [7] 。 Ma 等 [8] 在以特 征点为导航路标的基础上利用移动最小二乘的方法获 得着陆器姿态。然而以特征点作为导航路标存在两方 面缺点：①一般图像中可提取的特征点数量较多，在 提取和匹配的过程中计算量大且复杂、内存使用率 高；②一般情况下，特征点的全局位置信息未知，导 致基于特征点匹配的算法只能用于估计着陆器相对于 上一时刻的位姿。陨石坑作为另一类导航路标，可利 用其已知的地理位置坐标，对着陆器绝对位姿进行估 计[9-10]。然而星表陨石坑分布不均，在无陨石坑的星表