【摘要】：隨著我國探月工程的不斷深入,對月球表面的巡視探測逐漸成為工作的重點,而月球車精確的導(dǎo)航定位功能則是進(jìn)行月表有效探測的前提保障。視覺導(dǎo)航是一種高精度的自主導(dǎo)航方法,但受到月表未知環(huán)境的限制,仍需與其他導(dǎo)航方法相結(jié)合。本文研究了月球車雙目視覺導(dǎo)航及視覺/慣性組合導(dǎo)航的濾波融合算法,分別基于擴展卡爾曼濾波和粒子濾波來對導(dǎo)航精度進(jìn)行提升,仿真實驗驗證了該算法的有效性。首先對月球車的視覺/慣性組合導(dǎo)航進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,給出了視覺導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)和慣性導(dǎo)航的系統(tǒng)模型,為視覺里程計和濾波算法的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。然后介紹了雙目視覺里程計實現(xiàn)的整體流程和具體方法,并針對月表土壤松軟、路面凹凸不平的特點使用特定的特征點檢測與跟蹤方法。為剔除誤匹配,還將隨機抽樣一致性算法與最小二乘法相結(jié)合來進(jìn)行運動參數(shù)的估計,仿真結(jié)果驗證了算法的有效性。接下來應(yīng)用了擴展卡爾曼濾波器對月球車視覺/慣性組合導(dǎo)航進(jìn)行融合,以提升定位精度。采用誤差狀態(tài)模型,以慣性導(dǎo)航作為時間更新,視覺導(dǎo)航作為測量更新,通過兩種數(shù)據(jù)集的仿真測試,證明了擴展卡爾曼濾波器可以達(dá)到預(yù)期的效果。最后針對擴展卡爾曼濾波的局限性,即實際工程中的系統(tǒng)是非線性、非高斯的,而擴展卡爾曼濾波只能解決弱非線性、高斯問題,引入了粒子濾波進(jìn)行融合解算。首先詳細(xì)介紹了粒子濾波的基本理論、存在的問題和改進(jìn)方法,再根據(jù)本文應(yīng)用背景對粒子濾波器進(jìn)行設(shè)計,最后通過仿真測試和結(jié)果比較驗證了該算法的可行性。
【圖文】：

（Spirit）、機遇號（Opportunity）和好奇號（Curiosity）[11]。1.2.1 國外星表巡視器及其導(dǎo)航定位方法發(fā)展概況1970 年 11 月 17 日，蘇聯(lián)發(fā)射了無人駕駛的月球漫游車月球車 1 號（Lunoknod1），如圖 1-1 所示。這是航天史上第一輛月球車，它在月球上行駛了 10.5km，拍攝了兩萬多張圖片。1973 年又成功發(fā)射了月球車 2 號（Lunoknod 2），它在月球上行駛了 37km。兩輛月球車都采用地面遙感操作的模式，即地面操作員根據(jù)攝像機傳輸?shù)膱D片來對月球車進(jìn)行“駕駛”，完成避障與路徑規(guī)劃任務(wù)，月球車本身無自主導(dǎo)航功能。這種方式會使地面操作員十分疲勞，且存在傳輸延遲，效率極低[12]12。1971 年 7 月，美國“阿波羅計劃”的阿波羅 15 號登陸月球，并攜帶了三名航天員與一輛月球車——月球流浪者（Moon Buggy），如圖 1-2 所示。這是航天史上第一輛有人駕駛月球車，采用了航跡推算法進(jìn)行定位，可進(jìn)行自動行駛，也可由航天員直接控制其運動，它在月球上行駛了 27.9km。隨后的阿波羅 16 號、17 號也使用了這種有人駕駛月球車，分別行駛了 27km 和 35km[13]。

（Spirit）、機遇號（Opportunity）和好奇號（Curiosity）[11]。1.2.1 國外星表巡視器及其導(dǎo)航定位方法發(fā)展概況1970 年 11 月 17 日，蘇聯(lián)發(fā)射了無人駕駛的月球漫游車月球車 1 號（Lunoknod1），如圖 1-1 所示。這是航天史上第一輛月球車，它在月球上行駛了 10.5km，拍攝了兩萬多張圖片。1973 年又成功發(fā)射了月球車 2 號（Lunoknod 2），它在月球上行駛了 37km。兩輛月球車都采用地面遙感操作的模式，即地面操作員根據(jù)攝像機傳輸?shù)膱D片來對月球車進(jìn)行“駕駛”，完成避障與路徑規(guī)劃任務(wù)，月球車本身無自主導(dǎo)航功能。這種方式會使地面操作員十分疲勞，且存在傳輸延遲，效率極低[12]12。1971 年 7 月，美國“阿波羅計劃”的阿波羅 15 號登陸月球，并攜帶了三名航天員與一輛月球車——月球流浪者（Moon Buggy），如圖 1-2 所示。這是航天史上第一輛有人駕駛月球車，采用了航跡推算法進(jìn)行定位，可進(jìn)行自動行駛，也可由航天員直接控制其運動，，它在月球上行駛了 27.9km。隨后的阿波羅 16 號、17 號也使用了這種有人駕駛月球車，分別行駛了 27km 和 35km[13]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V476.3;V448.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2688443