基于imu-立体相机-里程仪的探测车的联邦滤波组合导航定位研究

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1、基于IMU/立体相机/里程仪的探测车的联邦滤波组合导航定位研究第1章绪论1.1课题的研究背景深空探测是在地球观测卫星应用和载人航天取得重大进展后人类开始向太阳系空间进行的探索，从现实和长远来看，对深空的探测和开发具有十分重要的科学和经济意义，这将加快人类对于空间资源的开发与利用，进一步推动空间科学技术的创新。在深空探测中，月球距离地球最近，而且还蕴藏了丰富的地球罕见的矿藏，如钛和铀，自然成为人类开展深空探测最理想的目标。深空探测车行驶于与地球完全不同的环境，确保探测车安全行驶是探测活动首要考虑的问题。探

2、测车对目标进行科学探测时，首先依据探测车自身位置进行路径规划，从而避开危险区域，到达目标位置。因此探测车的定位精度对探测任务至关重要。以月球探测任务为例，由于月球的环境相对地球而言非常特殊，因此目前常用的比较成熟的移动机器人导航定位技术不适用于深空探测车，这也使得深空探测车导航定位技术成为很有有挑战的难题。制约深空探测车定位的主要障碍有：月球大气非常弱，因此不能使用依赖空气介质和磁场的量测仪器(如声纳、超声波传感器)；月球磁场非常弱，使用磁罗盘无法提供导航服务；更大的障碍是，月球目前没有卫星定位系统，月

3、球行驶的环境荒芜。所有的这些客观条件使得深空探测车的导航与定位要比地面移动机器人的定位定姿困难得多。视觉测程（VisualOdometry）作为一种高精度的独立自主的导航定位方式，得到广泛的研究和应用。视觉测程按照相机的个数可以分为单目视觉测程及双目视觉测程。单目视觉测程是通过单个相机获取的高频率的序列图像序列来解算移动机器人的姿态和位置，虽具有简易，便携的特点但只能处理一个平面的场景点，无法直接得到场景的三维信息。因此主流的精确视觉测程多用立体相机获取高精度的场景深度信息，从而解算运动平台在物方坐标系

4、下的位置完成定位估。2003年美国火星车探测计划任务中（MarExplorationRoverMison，简称MER），基于序列立体影像的视觉测程方法因其能够连续地提供高精度的定位结果，成功应用于勇气号，为探测任务的实施做出了贡献。1.2课题的研究目的和意义在深空探测车任务中探测车要开展自主巡游任务，在任务中依次需要进行定位、路径规划、运动控制、避障等基本动作。定位是探测车的导航中的前提和关键，其目的就是要得到探测车在月球参考坐标系中的姿态和位置信息，由于探测车位置和姿态信息是路径规划的前提，也是障碍规

5、避、运动控制等子系统顺利运行的必要输入，同时亦是创建月面巡游地图的基准，因此可以说，高精度的探测车定位技术对于其安全巡游、完成预定科学探测任务具有重要的现实意义。我国无人探月工程嫦娥计划于2004年正式启动，共分为绕、落、回三期，已经圆满完成的一期工程即嫦娥一号绕月探测工程以及探月二期工程先导卫星嫦娥二号，实现了对月球全球性、整体性与综合性探测并取得一系列科学成果；二期工程嫦娥三号也已圆满成功，成功实现了月面软着陆和月面巡视勘察的任务。正在论证的探月三期工程的核心任务是无人月球表面采样返回。月球车如何能

6、够在月表安全地行驶成为探月工程中需要重点考虑的问题。因此借鉴已有的工程实施经验与技术的基础上，针对我国月球车的特点，充分利用相关理论和方法进行深空探测车高精度定位研究能为我国的探月着陆巡视探测任务提供技术支持。.第2章深空探测车导航系统介绍2.1引言深空探测车在行星上实施任务时需确定当时的姿态和位置，使得探测车避开不利于探测车行驶的危险区域，从而顺利接近探测目标完成科学探测任务。探测车定位方法通常可分为绝对定位和相对定位。绝对定位是通过外部观测物体如星辰、轨道器等来确定探测车在行星上的绝对位置（经纬高）

7、的定位方法。相对定位则是通过搭载在探测车上的仪器设备如IMU、里程计、立体相机等来确定探测车行驶时相对起始点的位置。但受限于目前技术条件和手段，绝对定位还无法提供连续实时的位置和姿态信息。相对定位则具有自主性好、容易实现等特点能为探测车提供连续的位置服务，但其随行驶距离的增长而积累误差。我们此处主要研究相对定位。本章就探测车的相对定位中所涉及的坐标系、可用的传感器、定位方法等进行总结和分析。.2.2深空探测车导航定位涉及的坐标系及其相关转换深空探测车的导航定位涉及的坐标系常用的有惯性系、局部坐标系、星固

8、系及车体坐标系等。惯性系是定义在惯性空间的绝对坐标系，其不随星体自转而转动，常用的惯性坐标系是J2000.0坐标系。J2000.0为一个历元。1976年IAU决议，从1984年开始天文年历采用儒略历元代替贝塞尔历元。1994则进一步确定新的标准天文年历元为2000年1月1.5日地球时（TerrestrialTime，简记TT），记为J2000.0。此时的儒略日JD=2451545.0，协调时间（UTC）时间为2000年1月1日11:58:5