自主导航与制导技术作为行星探索任务的关键,直接影响了着陆器精确着陆及行星车进行实地科学考察的实施效果。随着深空探测任务的深入,基于航迹递推的传统自主导航方式已无法满足行星着陆任务及后续巡视漫游导航任务的精度要求,视觉信息能够提供探测器的绝对位姿信息,对提高行星探测任务的导航精度及任务灵活性具有重要意义,因此有必要发展新一代基于视觉测量信息的行星自主探索导航与制导方法。本学位论文结合科技部973项目“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”,针对行星探索任务的特点,对行星精确着陆任务及行星车自主探索任务中视觉信息的使用方法进行了深入研究,论文的主要内容包括以下几个方面:首先对视觉导航中关键技术“视觉特征的提取与匹配算法”进行了研究。行星着陆任务中所拍摄下降序列图像与数据库图像往往存在较大的尺度及拍摄角度差异,针对这一问题,提出了一种抗仿射变换的图像局部特征检测算子,并与现有的特征检测与匹配算法进行了比较与分析;提出了一种结合图像边缘与区域信息的陨石坑检测与匹配算法,在基于WTA思想的匹配结果基础上,通过陨石坑三维模型确定陨石坑明暗区域面积比,利用该比值辅助降低陨石坑误匹配率,在行星着陆半物理仿真平台下验证了算法的有效性;针对漫游巡视段导航任务的需求,设计了的三维特征提取与匹配算法。其次研究了面向着陆器视觉导航应用的视觉特征数据库构建方法。行星着陆区地貌贫瘠,导致检出的视觉特征有较强的相似性,另一方面,星载计算机存储与处理速度有限,不适合处理大规模特征检索问题。综合考虑特征辨识度与特征点间距对导航精度的影响,提出了综合上述两种因素的导航特征入库筛选准则,将数据库组建方法由传统的整数规划转化为贪婪添加,提高了数据库构建和检索的效率,在此基础上设计了数据库分层结构来提高特征检索效率,并通过半实物仿真平台测试了算法对光照环境改变的鲁棒性。接着研究了视觉辅助行星着陆自主导航算法。针对以陨石坑为导航路标的视觉导航方式,提出了陨石坑图像与激光雷达测距信息相结合的自主导航方案,利用陨石坑的三维参数对激光雷达的测距信息进行补偿,降低传统光学导航算法中“着陆区平面假设”对导航精度的影响。整个着陆过程中,着陆末段导航图像与数据库图像差异最大,以灰度梯度相似性为标准的特征匹配方法误匹配率较高。为克服上述问题,以特征点位置为基础变量,构建了仿射不变量集合,将特征匹配转换为集合相似度求取问题,建立了基于特征图像位置的特征匹配算法。数学仿真表明,所提算法相比基于图像灰度梯度的特征匹配方法降低了误匹配率,验证了以集合相似度的特征匹配算法优势。最后对行星漫游巡视段自主导航算法进行了研究。利用同步定位与地图构建技术(Simultaneous localization and Mapping)导航定位时,状态不确定性会随着时间的推移快速增长。因此,提出了主动重观测路径规划算法,通过重观测置信程度较高的特征来抑制状态不确定性的增长速率。该算法首先对该过程中双目相机所探测到的三维点云进行分析,选择显著性较高的三维特征作为重观测地点,在此基础上通过监测漫游巡视过程位姿状态不确定性的增长幅度确定主动重观测时刻,综合考虑地图空置率及路径长度规划主动重观测路径,相比常规SLAM提高了漫游巡视过程中导航精度。