[发明专利]柔性着陆器多节点相对位姿估计方法

说明书

本发明公开的柔性着陆器多节点相对位姿估计方法，涉及柔性探测器附着小天体过程中协同导航各节点之间的相对位姿估计方法，属于深空探测领域。本发明实现方法为：在不同节点完成各自拍摄图像中陨石坑中心位置提取和不确定性求取，以及不同图像重合区域路标匹配基础上，考虑实际情况中各路标中心定位误差不确定性的特性，基于求取的各陨石坑路标的不确定性矩阵，通过奇异值分解构造用于解算两幅节点图像间加权单应性矩阵的不确定性加权矩阵；根据匹配确定的陨石坑路标对应关系，建立陨石坑中心坐标的加权单应关系方程；通过对加权单应性矩阵进行解析分解，根据权重分配加权估计柔性探测器不同节点间的相对位置和姿态，提高相对位置和姿态估计精度。

技术领域

本发明涉及柔性探测器附着小天体过程中协同导航各节点之间的相对位姿估计方法，特别适用于柔性探测器各节点利用光学导航相机进行相对位姿估计方法，属于深空探测领域。

背景技术

小天体附着是未来深空探测极为复杂的任务之一，传统的刚性探测器附着小天体面临着易反弹、易倾覆等问题。柔性探测器通过部署多个节点，节点间采用柔性材料连接，能够在着陆瞬间进行缓冲，吸收多余势能，进而提高附着成功率和稳定性，已成为未来小天体附着的新趋势。其中，利用多节点安装的敏感器进行协同导航，进而确定各节点之间的相对位置和姿态，能够有效弥补传统导航观测信息不足的缺陷，并显著提高导航精度，在提高附着任务可靠性和成功率方面发挥着越来越重要的作用。

协同导航也带来了一系列衍生问题，其中，协同导航相机同时对目标小天体表面成像，对具有重合区域的不同节点图像进行路标匹配，如何利用协同图像匹配结果实现高精度的节点间相对位姿估计越来越受到学者的关注。小天体探测航行距离远、通讯时间长且深空环境动力学复杂，而小天体表面存在着大量的陨石坑等常见的天然地形特征，在光照条件下具有较高的可见性与可分辨性，仅需光学敏感器和星载计算机即可实现大范围的检测和提取，处理简单，便于跟踪，为估计节点间相对位姿提供了大量的路标数据，应用前景广阔。因此，以小天体表面地形为目标的节点相对位姿估计方法，在小天体附着方面得到了广泛的研究和应用。

然而，由于节点相机在对小天体表面进行成像时，会受到敏感器误差、环境扰动、目标运动等因素的影响，成像平面导航路标提取中心不可避免地存在观测误差，这种观测误差呈现各向异性且非独立同分布的特点，而传统的相对位姿估计方法忽视了这种误差分布，将成像观测误差视为独立同分布的误差模型，这就使得利用协同图像导航路标观测不确定度进行相对位姿估计存在提高精度的可能。

在已发展的相对位姿估计方法中，在先技术[1](Faugeras O D,LustmanF.Motion and structure from motion in a piecewise planar environment[J].International Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence,1988,2(3):485-508.)，提出了从单应矩阵恢复相机相对位姿参数的数值分解算法，其基本思想是首先基于不同图像的匹配结果求取图像单应性矩阵，其次对单应性矩阵进行奇异值分解，通过构建特征值方程来获得8组候选相对位姿估计解，但是该算法存在退化问题。

在先技术[2](Malis E,Vargas M.Deeper understanding of the homographydecomposition for vision-based control[D].Paris:National Institute forResearch in Computer Science and Control of France,2007.)，针对利用单应阵进行数值分解无法清晰描述相对位姿变量与单应矩阵关系的问题，Malis等人给出一种单应性矩阵分解的解析算法，该算法通过建立相对位姿变量之间的一元三次方程函数关系，求取4组候选位姿解，且仅当三个奇异值均相等时解析方法失效，因此适用范围更广。