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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23574/
• 关键词: ベクトル符号相関法; FPGA; 人工マーカ; 超広帯域通信; 航法誘導制御; SLAM; 小天体探査; テンプレートマッチング; マーカ; 透視投影変換; 再帰性反射

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。

The following two points are the focus of research on the development of autonomous navigation guidance technology for possible celestial exploration. 1. The improvement of tracing method in flat area of image: the improvement of automatic tracing method in flat area of celestial surface by detector The tracking accuracy of the illumination environment change (sun angle) in the image is verified, and the illumination environment change is confirmed. The results of this research are integrated into the environment of small celestial bodies. High precision, high speed, autonomous extraction and tracking in flat areas are realized. 2. Improvement of the method of simultaneous estimation of the position of the detection machine: the method of adding and using the image of the celestial body 2-D position detection, ultra-band communication, detection of distance between machines This year, we will improve the system of distance measurement for small celestial bodies. The relationship between the two dimensional positions is unknown, and the method for estimating the relationship between the two dimensional positions is proposed. This technique is very good for the detection of distant small objects. The accuracy of the initial position error is confirmed when the position is estimated.

项目成果

Real-Time Spacecraft Localization and Mapping with Optical and Radio-Based Artificial Markers

使用光学和无线电人工标记进行实时航天器定位和测绘

• 发表时间: 2022
• 作者: Ohira;G.;Takao;Y.;Yoshikawa;M.;Tsuda;Y.
• 通讯作者: Y.

Real-Time Optical Navigation by Perspective Projection Estimation using Shape Model for Far-Distant Small Body Explorations

使用形状模型进行远距离小天体探索的透视投影估计的实时光学导航

• 发表时间: 2020
• 作者: Ohira;G.;Kashioka;S.;Takao;Y.;Iyoda;T.;Tsuda;Y
• 通讯作者: Y

Real-Time Navigation Using Ultra-Wideband Ranging with Artificial Markers for Small Body Exploration

使用超宽带测距和人工标记进行实时导航，用于小体探索

• 发表时间: 2021
• 作者: Ohira;G.;Takao;Y.;Yoshikawa;M.;Tsuda;Y
• 通讯作者: Y

Autonomous image-based navigation using vector code correlation algorithm for distant small body exploration

• DOI: 10.1016/j.actaastro.2020.10.013
• 发表时间: 2020-10
• 期刊: Acta Astronautica
• 影响因子: 3.5
• 作者: Genki Ohira;Shuya Kashioka;Y. Takao;T. Iyota;Y. Tsuda