行星著陸器自主導航與控制方法研究.pdf

1、探測器著陸行星表面進行科學考察可以獲得豐厚的科學回報，但由于深空探測目標距地球較遠，著陸天體的過程持續(xù)時間短，因此對探測器的自主導航控制技術提出了新的挑戰(zhàn)。本學位論文結合863計劃項目“深空探測自主技術與仿真演示系統”，國家自然科學基金項目“深空探測自主導航理論與方法研究”等課題，針對深空探測著陸段的任務特點，對自主導航制導控制系統所涉及的關鍵技術進行深入的研究。主要研究內容包括以下幾個方面：
　　首先對光學導航所涉及的圖像處理問

2、題進行了研究。根據深空探測著陸段導航圖像的特點，發(fā)展了特征點檢測與匹配算法，并分析了匹配算法在噪聲干擾及光照變化條件下的性能。針對以隕石坑作為導航路標的視覺導航算法，提出了一種基于邊緣信息的隕石坑檢測方法。借助改進的邊緣檢測算法在圖像中獲得可能的隕石坑邊緣，為提高識別的準確率，減少曲線擬合的計算負擔，通過張量投票去除噪聲及曲線外的點，由隨機采樣一致的方法擬合橢圓曲線，確定隕石坑位置和半長軸等參數。
　　接著研究了基于對極約束原理的

3、幀間運動估計方法，對采用該算法進行探測器狀態(tài)確定的效果進行了分析。針對探測器距離天體表面較遠，特征點近似分布在同一個平面內的特點，提出了利用單應矩陣確定探測器相對位置和姿態(tài)的自主導航方案。該算法通過跟蹤特征點位置確定單應矩陣，結合測距信息得到全部六自由度運動參數?？紤]到特征點實際位置并不完全滿足平面假設，通過數值方法分析了算法應用的合理性。
　　為了克服特征點匹配誤差和導航路標位置的不確定性帶來的影響，研究了基于遞歸估計的自主導航

4、算法。通過觀測導航路標的視線方向，在探測器動力學約束下，借助導航濾波器估計探測器的位置和姿態(tài)，同時重構路標的位置。針對絕對導航計算量大，無法連續(xù)給出狀態(tài)估計的問題，提出了兩種相對運動估計和隕石坑匹配相結合的絕對導航算法。第一種算法通過觀測兩個隕石坑視線方向夾角，根據其位置構建兩次拍照時探測器所在的位置面，進而確定由遞歸算法給出的探測器相對運動幅值和絕對位置。第二種算法借助相對運動估計給出的幀間旋轉運動，利用兩次觀測到的隕石坑邊緣曲線方程

5、恢復探測器相對隕石坑的狀態(tài)。
　　然后研究了深空探測著陸段制導與控制策略。針對深空探測目標動力學環(huán)境，建立了探測器軌道和姿態(tài)動力學模型。為了完成障礙規(guī)避等任務，研究了基于模糊預測的下降控制律。分析了下降過程中動力學模型的非線性問題，并發(fā)展了多項式制導策略。對于目標引力場缺乏先驗信息和受到導航方法制約而帶來的引力方向在特征點坐標系下不確定等問題，設計了自適應魯棒控制器控制探測器跟蹤規(guī)劃下降軌跡。
　　最后在上述研究成果基礎上，