基于嫦娥四号月球车图像的地形遮挡高精度预报试验研究

为进行天际线遮挡角的准确预报,提出了月球车图像的地形遮挡角高精度计算方法.首先阐述了月球车图像的地形遮挡角预报流程,然后重点分析了月球车相机在轨几何标定、基于闭合区域网平差的月球车相机在轨位姿参数估计、月球车位姿参数高精度计算和天际线自动提取等关键技术.最后,通过我国嫦娥四号月球车的专项试验,验证了月球车图像的地形遮挡角高精度计算方法具有较高的地形遮挡角预测精度和应用稳定性.     

玉兔2号月球车大间距导航成像的空间分辨率建模分析

玉兔2号月球车在月面巡视探测中,因斜坡凹坑众多使得行驶滑移严重.导航点的精确定位是路径规划的前提,也是月球车安全行驶的保障.玉兔2号月球车月面行进采用大间距行进模式,相邻导航点之间大多相距7 m以上,使得前后站图像的缩放尺度差异较大,如何从前后站序列成像中选出最优配对图像以实现特征匹配与定位解算的全自动是导航点定位的关键.本文在分析站点距离和成像倾角对图像重叠度、重叠区尺度变换等因素影响的基础上,提出并建立了图像像素的空间分辨率(单个像素对应月面区域的尺寸)与摄影光线长度和观测面法线方向角的关系模型,给出了不同站点距离和成像距离条件下图像重叠与缩放的定量关系,设计了站点距离、最优配对图像和匹配可行性的计算策略,从根本上确立了站点距离与成像距离对导航点定位的影响关系.结合嫦娥四号任务数据,对上述模型和分析的有效性进行验证,确立了上述方法对工程任务的指导意义.     

基于立体图像的月球车导航定位试验研究

为获得月球车在轨移动过程中的位置信息,提出了基于立体图像的月球车导航定位算法.首先阐述了月球车导航定位算法原理,包括坐标系转换体系、月球车立体图像相对定向、月球车立体模型绝对定向和连接点坐标观测量权值,然后给出了月球车导航定位流程.最后,通过我国月球车的专项试验,验证了基于立体图像的月球车导航定位算法,具有较高的定位精度和应用稳定性.     

嫦娥四号月面巡视器全景相机制图方法

作为嫦娥四号月面巡视器的科学载荷,全景相机不仅承担着探测月面地质的任务,同时可以用于制图和地形重建,直接服务于巡视器的导航规划工作.在试验场选用一种模型方法用于前期标定实验,但为了后期制图工作的方便往往需要选用另一种模型,基于此,本文提出了一种基于畸变模型参数转换的去畸变方法,技巧性地解决了标定模型和制图模型不一致的问题,并融合支持像点(support points)稠密匹配、空间前方交会、最小二乘光束法平差、离散点云生成、德劳内三角化等多项技术,将全景相机影像用于制图工作.基于月面巡视器在LE00210站点拍摄的全景相机影像,在实验室构建控制场对本文提出的畸变模型参数转换方法进行了可行性和精度测试,结果表明畸变模型转换后定位精度优于1.6 cm,相对距离精度优于4%,并成功应用于嫦娥四号巡视器全景相机制图.     

基于视觉的机械臂空间目标抓取策略研究

空间非合作目标的探测和抓取是空间机械臂的重要应用目标,为了解决空间目标的位姿测量和捕获问题,本文深入分析了机械臂特性和目标特性,在建立机械臂、相机和目标的运动关系的基础上,基于立体视觉实现了对空间目标的位姿测量,控制机械臂进行抓取预定位.考虑立体相机的测量误差和机械臂的控制精度因素,在抓取末阶段采用单目相机,基于图像的视觉伺服策略控制机械臂进行精确位姿调整对目标进行抓取.通过机械臂对空间目标的抓取实验验证了该抓取策略的有效性.     

基于视觉的嫦娥四号探测器着陆点定位

我国于2018年12月8日发射嫦娥四号月球探测器,实施世界上首次月球背面软着陆和巡视探测.探测器着陆点的快速高精度定位是其中的一个重要技术环节,也是着陆器和巡视器开展月面探测工作的重要前提.本文基于高精度图像匹配和几何变换方法,结合实际工程任务需求,首先利用探测器动力下降期间的近实时高压缩比降落序列影像完成了着陆点的快速初始定位;其次利用回放的低压缩比降落影像对该位置进行了精化,最终解算的嫦娥四号探测器着陆点位置为(177.5884°E, 45.4565°S).该定位方法及结果被成功应用于实际工程任务中,为嫦娥四号任务着陆区的地形分析及后续遥操作的任务规划提供了重要支持.     

中子散射相机的探测效率研究

中子散射相机的探测效率直接影响其能量重建的准确性,也是其结构优化最重要的参数之一.在加速器中子源上,采用1.2, 2.5, 3.8, 5.0和14.8 MeV几个能点,对8单元中子散射相机原理系统的探测效率进行了测量.针对实验值比理论值大2～3倍的问题,在理论模拟中加入了碳核发光的影响,并计算了偶然符合事件的影响.计算结果表明,对于单个闪烁体,碳核的发光在高能时不能忽略,而对于散射相机系统,碳核的发光可以忽略.偶然符合对探测效率的影响与入射中子能量有关,对于1.2 MeV中子,偶然符合计数占绝大多数.采用对实验能谱进行高斯拟合扣除了很大一部分的本底中子,将理论探测效率与实验值的偏差缩小到较小的范围内.     

嫦娥三号“玉兔号”巡视器遥操作中的关键技术

2013年12月14日,"嫦娥三号"成功地将月面着陆器和"玉兔号"巡视器送抵月球,这标志着我国已完成了探月工程中"落"月的重要阶段.嫦娥三号任务的一个关键组成部分是由地面遥操作中心控制"玉兔号"巡视器在月面非结构化环境中进行巡视和科学探测,而遥操作技术正是该组成部分成功实施的关键."玉兔号"巡视器遥操作技术主要包括巡视器的导航定位、月面地形重构、行驶路径规划和机械臂探测等关键步骤,这些步骤相互支撑与融合,保证了嫦娥三号任务的顺利实施.本文在对上述4个方面关键技术的发展和应用现状进行总结的基础上,阐述了相关的主要技术途径及其应用特点,分析了各种技术在"玉兔号"月面巡视与科学探测任务实施中的发挥的重要作用,并评述了它们的发展潜力和应用前景,对中国探月工程以及后续火星探测工程中的遥操作具有一定的指导意义.     

月面采样机械臂采样位形分析与优选

在月面采样任务中,受土壤反作用力、能耗等因素影响,机械臂采样位形会影响其采样性能.为了准确评估采样位形对采样性能的影响,提高采样任务执行的可靠性,提出了机械臂采样位形分析方法与优选策略.首先,分析机械臂与采样器、采样器与铲挖执行机构之间的耦合关系,建立机械臂与采样器的联合动力学模型;其次,分析采样过程中机械臂位形与土壤反作用力、机械臂末端抗偏移能力、关节运动行程以及运动能耗之间的关系,并构建量化指标对采样性能进行评估;进而,根据构建的采样性能评价指标,构建考虑采样点区域、关节轨迹等多种约束的多目标最优化问题框架,设计基于NSGA-2多目标遗传算法的采样位形优选策略;最后,以嫦娥五号采样机械臂为对象进行实验分析.实验结果验证了本文提出的采样位形分析方法与优选策略的有效性,相关结论为嫦娥五号采样机械臂实际采样指令的生成提供了参考依据.     

基于自适应尺度的遥感影像渐进配准

图像配准是遥感图像处理中的基本问题.本文针对多源多时相遥感影像的特点,提出了一种基于自适应尺度的渐进配准方法,在从粗到细的迭代配准过程中,可以通过上一次配准结果的几何定位误差来确定本次匹配的尺度,并按该尺度提取特征角点和特征邻域进行匹配,与常规金字塔渐进配准方法相比,减少了匹配次数,提高了配准效率.另外,特征提取和匹配过程中提出一种基于Harris-Laplace算法和相位相关算法的遥感影像配准算法,利用Harris-Laplace角点代替原始图像,能够综合区域和特征的优点,对亚像元偏移、旋转、尺度变化具有不变性,同时对对比度和灰度的变化不敏感,具有很强的抗噪性.在特征检测和匹配的过程中采用限定搜索区域、抽稀角点等多种优化策略来提高算法的性能.实验证明,算法具有很好的精度,对几何攻击具有很好的鲁棒性,该算法已经应用于CBERS-02B星3级数据的批量自动化生产,具有很好的应用效果.     

基于造影图像的能量场反投影合成冠脉三维重建

基于造影图像的血管三维重建技术对于心血管疾病的计算机辅助诊断具有重要的临床实用价值.本文针对两幅单平面冠脉造影图像,提出了一种能量场反投影合成冠脉三维重建方法.深入研究了X射线造影成像原理和非封闭参数曲线构建方法,基于透视投影模型将两幅造影图像中形变曲线所受的外部驱动能量场反投影到三维空间中实现合成.在外部形变驱动力和内部平滑力的共同作用下,三维参数曲线不断形变向合成能量场最小的方向演化.为获得高精度的重建结果,通过曲线匹配方法实现参数曲线上点对点的稠密匹配,然后使用集束调整方法实现投影参数和血管三维结构的非线性全局优化.为了验证算法的有效性,我们将本文提出的方法在仿真数据和真实造影图像上进行了一系列实验;同时对具有不同造影成像角度差的图像进行了重建精度比较.实验结果表明本文提出的方法非常有效和鲁棒,重建冠脉血管树在三维空间中的均方误差小于0.80mm.     

星载焦面视场拼接TDI CCD相机成像质量及处理方法分析

本文分析卫星偏航角、相机积分时间、平台稳定性、姿轨误差对焦平面线阵采用视场拼接的TDI相机地面成像的影响,包括线阵、沿轨两个方向上的错位(点上的变化)与地面扫描轨迹方向上的影像畸变(线上的变化).针对CBERS-02B HR相机的卫星影像,研究地面解决偏航角引起图像错位的数据处理方法——基于地面影像的图像配准仿射变换纠正法.根据CBERS-02B HR线阵的地面配准试验,分析出了CBERS-02B卫星星上偏航角补偿精度与误差对图像质量的影响,及影像畸变产生的原因.     

无人机图像全自动生成大比例尺真正射影像方法

随着无人机遥感技术逐步从研究开发阶段发展到实际应用阶段,采用无人机图像进行大比例尺的真正射影像生成方法的研究具有重要的现实意义．本文旨在探索将计算机视觉中获得巨大成功的多视三维重建技术应用到对无人机影像处理中,给出了一种基于运动恢复结构重建算法和多视图立体视觉算法全自动生成大比例真正射影像的方法．本文首先分析了无人机图像PMVS重建点云的特点,给出一种由基于面片多视图立体视觉稠密点生成数字表面模型的方法,然后详细介绍了包括正射影像图像坐标映射模型、可见性计算、基于Markov随机场能量优化的面片选择和匀光处理等真正射影像生成的关键步骤．实验结果以及与商业软件的比较表明：本文给出的方法在野外地形和城市区域均能获取有效的真正射影像结果．     

嫦娥一号月面成像的高次函数形变模型匹配及超分辨率重建

分析了起伏地形在星载三线阵像机不同传感器上成像的形变模式. 针对嫦娥一号探月卫星2C级月面成像, 提出了在运动方向上用二次函数表示图像形变的线阵立体像机图像匹配方法. 用该匹配方法与标准相关方法相结合完成了嫦娥一号卫星成像的下视图与前视图、后视图的精确配准, 基于非均匀样本小波插值的超分辨率重建算法实现了嫦娥一号卫星月面图像的超分辨率重建, 增加了图像的可识别目标, 充分挖掘了嫦娥一号卫星的图像信息.     

用于视觉导航中的摄像机标定方法研究

为了解决摄像机标定的非线性优化过程中解的不稳定性问题,提出了一种线性的摄像机标定方法.该方法首先利用透视投影的交比不变性原理,在畸变模型为一阶径向畸变的情况下,根据空间共线4点的图像坐标及其交比,线性标定出摄像机镜头的畸变参数;然后,基于考虑径向畸变的摄像机成像模型的约束关系.线性标定出其他摄像机参数.实验结果表明,该方法标定模板制作简单,操作方便,具有一定的鲁棒性,可以满足农业机器人视觉导航中的精度要求.     

机构近似综合的统一模型与自适应方法

提出了平面、球面和空间曲线拟合的自适应方法, 将空间直纹面分解为球面像曲线和空间腰曲线进行特征描述, 并把机构综合问题转化为曲线自适应拟合问题, 给出了平面近似圆点、球面近似圆点和空间近似定轴线等概念, 建立了从平面、球面到空间机构综合的统一模型和自适应方法, 为机构优化综合解的存在性和优化算法的收敛性提供了理论依据.     

嫦娥二号卫星技术成就与中国深空探测展望

嫦娥二号卫星是中国第二颗月球探测卫星,设计主要目标为先期验证后续月球着陆任务的部分关键技术,并深化月球科学探测.圆满完成既定任务后,嫦娥二号飞离月球,进入行星际空间,在国际上首次实现从月球轨道转移日-地拉格朗日L2点.此后,在距地700万千米,实现国际上首次与4179图塔蒂斯小行星近距离交会并获取最高分辨率优于3m的光学图像.本文主要描述了嫦娥二号卫星的主要任务要求、任务特点、研制历程、在轨飞行评价、扩展任务、后续飞行状态和取得的主要技术成就.在分析、对比国内外深空探测现状的基础上,提出未来我国深空探测后续发展的几点建议.     

一种新型3-DOF串并混联拟人机械臂的研制

提出了一种新型3-DOF串并混联拟人机械臂及这种机械臂的基于性能图谱的概率参数设计方法, 对这种机械臂进行了运动学性能分析, 推导出这种混联机械臂的位置反解方程、速度传递平衡方程和静力传递平衡方程, 定义了速度传递性能评价指标、力传递性能评价指标及各全域性能评价指标, 绘制了各全域性能评价指标的性能图谱, 应用基于性能图谱的概率参数设计方法, 为这种机械臂选取了合理的结构参数, 同时, 考虑加工与装配工艺性, 设计了一种 3-DOF串并混联拟人机械臂, 为这种机械臂的应用奠定了基础. 这种机械臂具有运动灵活、刚度大、惯性小和工艺性好等优点, 在精密抛光、航空、造船、汽车等现代工业领域有广阔的应用前景, 这种机械臂与球面三自由度并联机构串联在一起, 可构成 6-DOF串并混联拟人机械臂.     

CBERS-01/02卫星CCD图像相对辐射校正研究

中巴资原卫星(简称CBERS卫星)01/02卫星搭载的CCD相机作为主要的有效载荷,采用推扫式成像方式,具有较高的空间分辨率和光谱分辨率.由于在实验室示能采集CBERS-01卫星CCD相机整星对接数据, CCD内定标系统又对地成像状态存在一定的差别,CBERS-01卫星发射升空之后,CCD图像相对辐射校正中遇到一系列的问题.采用本景图像统计方法和直方图匹配法两种方法进行地面处理,实验证明直方图匹配法可以选择不同时相的CCD图像进行直方图统计生成对照查找表,既可较大程度减轻相机响应的不稳定带来的影响,又从根本上克服CCD相机非线性特性,因而明显优于本景图像统计方法.鉴于CBERS-01卫星存在的问题,在CBERS-02卫星发射之前,针对CCD相机作了大量的定标实验,并使用半积分球在整星状态下进行对接实验,采集了相对稳定的实验数据,形成一套基础的实验室相对辐射定标系数.CBERS-02卫星在轨飞行时,利用实验室定标系数校正CCD图像,发现图像的相对辐射校正效果仍然不够理想,集中表现在CCD图像3片线隈存在的响应差异,初步研究认为是CCD相机底电平不稳造成的,提出采用纺计方法以中间线隈为基准,通过寻找相邻近似的地物,探测线阵响应之间的差别,进而对基它两线阵的偏移值进行补偿,在不损害图像纹理的情况下,云除3片阵的响应差异,实验证明该方法具有较好的适性.     

基于图像特征分布优化的相机外参自标定

标定两个已知相机之间的相对外参是三维视觉变形测量中的一个基本任务.当使用自标定技术时,一般需要在标定图像中建立立体对应关系,而实际测量场景中复杂的纹理分布对可靠立体特征的建立提出了挑战.为此,本文通过研究图像特征分布的优化策略,提出了一种针对实际测量任务的非约束场景外参标定方法.首先,通过图像特征匹配获得立体图像间的点...