月球车位姿确定技术研究

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1、摘要月球的特殊环境要求在对其进行探测的过程中，月球车必须至少具有半自主控制功能，而位置和姿态信息是月球车实现自主功能的基础和关键信息。本文以月球探测车的研究为背景，以确定月球车行驶过程中的位置和姿态为口标，详细介绍了基于惯性器件、太阳敏感器和星历数据相融合的月球车位置和姿态确定方法。在本文所论述的基于惯性器件的姿态和位置确定算法中，利用月球车装载的惯性器件巾的陀螺仪实时感知月球车的三轴转动角速度，结合月球车初始姿态位置，利用四阶龙格．库塔算法求解四元数微分方程，进而得到月球车的实时姿态；利用加速度计实时感知月球车体的三轴平动加速度，结合

2、月球车的实时姿态，求解月球车的相对位置。针对利用惯性器件求解的姿态误差较大的缺点，将静止时太阳敏感器测量得到的太阳相对于月球车前进方向的方位角、星历表解算得到的太阳相对于月球正北方向的方位角信息进行融合，得到月球车的绝对航向，并利用静止时加速度计的三轴分量确定的月球车绝对俯仰角和翻滚角，修正利用惯性器件测量解算得到的姿态角。文中还介绍了利用太阳敏感器，建立天文位置圆方程并求解月球车绝对位置的方法。文章的最后介绍了利用该算法在月球探测原型车上进行的位置和姿态确定实验，在简单介绍了实验器件YH．7000的特性以及其在Vxworks操作系统下

3、的串口通讯编程后，对实验的各个步骤分别进行了详细介绍，并给出了实验结果。最后对实验中的误差根源进行了分析，对实验相关前景进行了展望。实验的结果证明了本算法的正确性和完整性。关键词月球车；位姿确定；惯性导航；太阳敏感器：航向角AbstractThespecialenvironmentpropertiesofthemoonrequirethatalunarroverhastheabilityofautonomouscontroloratleastthesemi—autonomouscontrol，forwhichthedeterminati

4、onofitsattitudeandpositionplaysacriticalrole．Takingthemoonexplorationroverasthestudybackground，thisdissertationintroducedthealgorithmstodeterminetheattitudeandpositionofthelunarroverbasedoninertialnavigationsensors，sunselLsorandephemerisdata．Inouralgorithm，allinertialmea

5、surementunitwhichhasthreerategyrosandthreeaccelerometersformeasuringroverangularratesandaccelerationsisfixedonthelunarrover．Firstcombiningtheangularrateswiththeinitializedattitude，thereal-timeattitudeofthemovingrovercanbeobtainedbyusingfourth-orderRunge—Kuttaalgorithmfor

6、solvingquatemiondifferentialequations．Thencombiningthereal-timeattitudewiththethreeaccelerations，therelativepositionCanbeobtainedbytheNewton’Sactionlaws．Inordertoovercomethecumulativeerroroftheattitude，andthentheanglebetweentheorientationofroverandthesuniscalculatedbyima

7、gingtheStill，theanglebetweenthenorthofthemoonandtheSuniscalculatedbysolvingKepler’Sequationwiththeephemerisdata．Thesetwoanglesareusedtodeterminetheabsoluteazimuthoftherovertowardnorthofthemoonwhiletheroverisassumedstationary．Furthermore，theaccuraterollandpitchoftheroVera

8、realsocalculatedbyaccelerometersandusedtocorrecttheerrorsintroducedbytheinertialunit．Theabsolutelyposit