Autonomous Guidance, Navigation, and Control Using Vector Code Correlation Algorithm for Landing on Far-Distant Small Bodies

利用矢量码相关算法实现远距离小天体着陆的自主制导、导航和控制

基本信息

批准号：
20J23574
负责人：
大平元希
金额：
$ 1.98万
依托单位：
The Graduate University for Advanced Studies
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

様々な天体へ適用可能な探査機の自律航法誘導制御技術を開発することを目的に、以下の2つの点を中心に研究を実施した。1.画像中の平坦な領域の追跡手法の改良：天体表面の平坦な領域を探査機が画像から自動追跡する手法を改良した。そして、画像中の照明環境変化（太陽角）に対する追跡精度変化を検証し、実ミッションで生じうる照明環境変化に対してロバストであることを確認した。これまでの成果と統合することで、様々な小天体環境に対してロバストかつ高精度・高速な平坦領域の自律抽出・追跡を実現した。2.人工マーカを用いたマーカ・探査機位置の同時推定手法の改良：天体表面の平坦領域を活用した手法に加え、画像と電波を活用した人工マーカシステムと人工マーカを活用した位置推定手法を改良した。昨年度までに、再帰性反射による画像中のマーカ2次元位置検出と、超広帯域通信によるマーカ・探査機間距離測定機能を有する人工マーカを提案してきた。本年度は、アンテナを改良することで、小天体近傍環境により適した距離測定システムを構築した。さらに、測距値とマーカ2次元位置の対応関係が未知であるという本研究特有の課題に対し、尤度とダイナミクスに基づいた新たな観測量対応関係推定手法をSLAMに組み込むことで、リアルタイムかつ高精度な探査機・マーカ位置の同時推定を実現した。この手法は形状モデルやマーカ地図などの事前情報を必要としないため、遠方小天体探査との相性も非常に良い。そして、様々な小天体環境を模擬した位置推定シミュレーションにより、マーカ観測の外れ値やダイナミクスモデルに誤差がある場合でも、初期位置誤差程度の精度でリアルタイムに位置推定が可能なことを確認した。

为了发展适用于各种天体的航天器自主导航、制导与控制技术，我们重点开展了以下两点研究。 1、改进了图像中平坦区域的跟踪方法：改进了航天器从图像中自动跟踪天体表面平坦区域的方法。然后，我们验证了图像中光照环境（太阳角）变化导致的跟踪精度变化，并确认该系统对于实际任务中可能发生的光照环境变化具有鲁棒性。通过整合之前的成果，我们实现了各种小天体环境中平坦区域的鲁棒、高精度、高速自主提取和跟踪。 2. 改进使用人工标记的标记和航天器位置同时估计方法：除了利用天体表面平坦区域的方法外，我们还开发了使用图像和无线电波的人工标记系统以及位置估计方法使用人工标记进行了改进。直到去年，我们才提出了一种人工标记，可以利用逆反射检测标记在图像中的二维位置，并利用超宽带通信测量标记与航天器之间的距离。今年，我们通过改进天线，构建了更适合小天体附近环境的测距系统。此外，为了解决本研究中距离测量值与二维标记位置之间的对应关系未知的独特问题，我们在SLAM中融入了一种新的基于似然和动态的可观测对应估计方法，使得实时且高精度地同时估计探针和标记位置。由于该方法不需要形状模型或标记图等先验信息，因此与遥远小天体的探索高度兼容。通过模拟各种小天体环境的位置估计模拟，我们证实即使在标记观测值存在异常值或动力学模型存在误差的情况下，也可以以与初始位置误差相当的精度进行实时位置估计。