基於主動特徵選擇的非合作太空飛行器魯棒視覺導航方法

《基於主動特徵選擇的非合作太空飛行器魯棒視覺導航方法》是依託南京航空航天大學，由吳雲華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於主動特徵選擇的非合作太空飛行器魯棒視覺導航方法
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳雲華
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

本項目針對非合作太空飛行器視覺導航問題，研究太空飛行器相對狀態魯棒估計算法。以幾何代數為框架，提出基於特徵點、直線及高階形狀的多尺度多類型圖像特徵統一建模方法，實現了多特徵融合，解決採用單一特徵由於特徵遮擋或提取和匹配錯誤而導致算法精度降低甚至得到錯誤結果的問題，提高了太空飛行器單目視覺相對位姿參數確定算法的魯棒性和精度。同時，特徵的數量和空間構型對基於單目視覺的相對位姿估計性能有重要影響，提出融合Cramér-Rao誤差性能下界理論的隨機表決採樣算法，可以有效剔除粗大誤差和無效特徵並獲得最優特徵構型，以進一步提高相對狀態估計的魯棒性、精度和速度。最後，以非合作太空飛行器在軌服務為任務，搭建半物理仿真平台，驗證本項目理論研究成果的可行性和有效性。本項目的研究為太空飛行器在軌服務、行星軟著陸等航天任務的視覺導航提供了新的理論工具，具有重要的科學意義和廣闊的套用前景。

結題摘要

太空飛行器在軌服務是當天航天領域的研究熱點問題之一，而太空飛行器間的相對導航是在軌服務交會的前提。傳統單目視覺相對導航常用於合作目標太空飛行器的近距離接近階段，而在軌服務對象多為失效或故障太空飛行器，其具有一定的局限性。針對上述問題，本項目深入研究了面向非合作太空飛行器在軌服務的魯棒視覺導航方法，具體研究內容如下： 首先，針對非合作太空飛行器具有系統模型不確定性和運動狀態突變，設計了兩種基於強跟蹤濾波的視覺相對導航算法。考慮傳統強跟蹤濾波器要求觀測矩陣非奇異和依賴系統先驗知識，對其進行了改進。仿真結果表明，兩種算法對系統模型不確定性和運動狀態突變均有很好的魯棒性。 其次，研究了投影點提取失敗的處理方法。方案一，基於逆投影原理重構故障投影點的位置，從而保障相對位姿的解算；方案二，對傳統景深疊代算法進行改進，利用特徵點位置關係完成故障投影點的景深疊代，並最佳化算法的疊代速度；方案三，基於無跡卡爾曼濾波，採用二次指數平滑法對故障觀測值的新息值進行預測，並引入了比例矩陣調整協方差矩陣和濾波增益，從而削弱故障觀測值對狀態估計的修正。 然後，研究了非合作太空飛行器視覺相對導航策略。設計了“自拍桿”相機安裝結構和相機在軌標定方案，然後根據視場大小選擇不同的觀測目標，以包括特徵點、特徵線和特徵圓等的多特徵觀測數學模型，設計了多特徵融合非線性估計方法，實現了觀測特徵變化時的非合作太空飛行器相對位姿估計。 再次，基於Cramer-Lao下界理論，推導了多維CRLB表達形式，建立了視覺測量CRLB模型，並採用RANSAC進行粗大誤差剔除，最後利用CRLB特徵有效模型，從RANSAC獲取的內點中選取CRLB最小的特徵點集，有效提高了視覺導航的精度。 最後，設計並開發了基於單目相機的相對位姿確定半物理仿真系統，完成了三軸氣浮台相對位姿測量演示驗證實驗，該系統具有標定簡單、價格低廉、性能良好等優點。