專利名稱：一種深空探測(cè)巡視器慣性/視覺(jué)組合導(dǎo)航方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深空探測(cè)巡視器在行星表面巡視勘察時(shí)，基于圖像特征點(diǎn)像素坐標(biāo)信 息的慣性/視覺(jué)組合導(dǎo)航方法，是一種非常適用于深空探測(cè)巡視器的自主導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
深空探測(cè)作為人類航天活動(dòng)的重要領(lǐng)域，對(duì)一個(gè)國(guó)家的科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和軍 事應(yīng)用價(jià)值都有一般航天活動(dòng)無(wú)法比擬的特殊作用。深空探測(cè)巡視器作為當(dāng)前行星際探 測(cè)的主要工具，在行星表面自動(dòng)巡視勘測(cè)、圖像獲取、采樣分析和返回等方面發(fā)揮著重要作 用，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。
巡視器要在行星表面陌生的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中安全行駛和工作，有效的導(dǎo)航是其可 以成功完成預(yù)定科學(xué)探測(cè)任務(wù)的前提。由于行星空間環(huán)境的特殊性，現(xiàn)有的大多數(shù)地面機(jī) 器人導(dǎo)航方法往往不能用于深空探測(cè)巡視器，當(dāng)前深空探測(cè)巡視器主要還是借助地面測(cè)控 站進(jìn)行遙測(cè)遙制，但我國(guó)受地理?xiàng)l件的限制，加之地球和各天體的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響， 可測(cè)控時(shí)間較短，而且即使在可測(cè)控時(shí)段，從測(cè)量數(shù)據(jù)下傳到控制信息上傳之間也存在較 長(zhǎng)的時(shí)間延遲，如NASA火星探測(cè)任務(wù)中一個(gè)導(dǎo)航控制指令的延遲通常為一個(gè)火星日，因此 為提高巡視器的安全性、可靠性以及工作效率，較先進(jìn)的技術(shù)是機(jī)器人利用自己的傳感和 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。
目前可以用于深空探測(cè)巡視器的自主導(dǎo)航方式主要有慣性導(dǎo)航(航位推算)、天 文導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航和組合導(dǎo)航等。慣性導(dǎo)航具有自主性強(qiáng)、短時(shí)精度高、導(dǎo)航參數(shù)完備等優(yōu) 點(diǎn)，但由于慣性器件存在漂移，其導(dǎo)航誤差隨時(shí)間積累。視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)具有體積小、重量輕、 壽命長(zhǎng)、可靠性高、圖像信息豐富、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于短距離的障礙檢測(cè)和路徑規(guī) 劃非常有效，但數(shù)據(jù)更新率低。慣性導(dǎo)航和視覺(jué)導(dǎo)航有其各自的特點(diǎn)，并具有互補(bǔ)的特性， 將兩種導(dǎo)航方法相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，利用信息融合技術(shù)進(jìn)行組合導(dǎo)航，可以最大限度地提高 導(dǎo)航的精度和可靠性。目前應(yīng)用于巡視器的慣性/視覺(jué)組合導(dǎo)航方法主要是慣性導(dǎo)航(航 位推算)和視覺(jué)里程計(jì)相結(jié)合的方法，在可能存在滑移的情況下，使用視覺(jué)里程計(jì)完全取代 IMU和車輪里程計(jì)得到的位置信息，而沒(méi)有使用卡爾曼濾波及相關(guān)算法來(lái)融合IMU，車輪編 碼器和視覺(jué)里程計(jì)的運(yùn)動(dòng)信息。該方法沒(méi)有通過(guò)組合導(dǎo)航的方式來(lái)提高導(dǎo)航精度，而是分 時(shí)使用兩種導(dǎo)航方法，且由于視覺(jué)里程計(jì)是通過(guò)運(yùn)動(dòng)估計(jì)獲得相鄰時(shí)刻的相對(duì)導(dǎo)航參數(shù)， 然后在前一時(shí)刻導(dǎo)航參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加來(lái)更新導(dǎo)航結(jié)果，其本身誤差亦會(huì)隨時(shí)間積累， 從而導(dǎo)致導(dǎo)航的精度不高。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航和航位推算相結(jié)合的位置估計(jì) 方法在產(chǎn)生滑移情況下的精度低、安全性差等缺點(diǎn)，彌補(bǔ)慣性導(dǎo)航與視覺(jué)里程計(jì)組合模式 中運(yùn)動(dòng)估計(jì)誤差對(duì)組合導(dǎo)航精度影響大這一不足，為深空探測(cè)巡視器在行星表面漫游提供 一種高精度的慣性/視覺(jué)組合導(dǎo)航方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為建立恰當(dāng)?shù)纳羁仗綔y(cè)巡視器狀態(tài)模型，通過(guò)雙目視覺(jué)相機(jī)連續(xù)拍攝獲得巡視器周圍環(huán)境信息的立體圖像序列，再通過(guò)圖像特征提取獲得圖像中的特征點(diǎn)像素坐標(biāo)，建立以特征點(diǎn)像素坐標(biāo)為量測(cè)量的量測(cè)模型，使用 Unscented卡爾曼濾波估計(jì)深空探測(cè)巡視器的導(dǎo)航參數(shù)。
具體包括以下步驟
1.建立深空探測(cè)巡視器慣性/視覺(jué)組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)模型；
選取行星固連坐標(biāo)系為全局參考坐標(biāo)系,其定義為原點(diǎn)與行星質(zhì)心重合，Z軸指向行星北極，X軸指向行星赤道面與0°子午線的交點(diǎn)，Y軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系，根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)在行星固連坐標(biāo)系下的導(dǎo)航解算方程，可得組合導(dǎo)航的狀態(tài)模型
權(quán)利要求
1.一種深空探測(cè)巡視器的慣性/視覺(jué)組合導(dǎo)航方法，其特征在于首先根據(jù)行星固連坐標(biāo)系下的捷聯(lián)慣導(dǎo)力學(xué)編排方程，建立慣性/視覺(jué)組合導(dǎo)航的狀態(tài)模型，再利用雙目視覺(jué)相機(jī)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行拍攝，獲得立體圖像序列，通過(guò)圖像特征提取算法得到特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)，建立以特征點(diǎn)像素坐標(biāo)為量測(cè)量的量測(cè)模型，并使用Unscented卡爾曼濾波估計(jì)深空探測(cè)巡視器的位置、速度和姿態(tài)；具體包括以下步驟 ①建立深空探測(cè)巡視器慣性/視覺(jué)組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)模型； 選取行星固連坐標(biāo)系為全局參考坐標(biāo)系，可得組合導(dǎo)航的狀態(tài)模型
全文摘要
本發(fā)明涉及一種深空探測(cè)巡視器慣性/視覺(jué)組合導(dǎo)航方法，根據(jù)行星固連坐標(biāo)系下捷聯(lián)慣導(dǎo)的力學(xué)編排，建立巡視器慣性/視覺(jué)組合導(dǎo)航的狀態(tài)模型；利用雙目視覺(jué)相機(jī)對(duì)巡視器周圍環(huán)境進(jìn)行拍攝，獲得立體圖像序列，通過(guò)圖像特征提取算法得到特征點(diǎn)的像素坐標(biāo)，建立以特征點(diǎn)像素坐標(biāo)為量測(cè)向量的量測(cè)模型；并使用Unscented卡爾曼濾波估計(jì)深空探測(cè)巡視器的位置、速度和姿態(tài)。本發(fā)明能夠有效修正慣導(dǎo)的位置誤差，提高導(dǎo)航精度，非常適用于深空探測(cè)巡視器的自主導(dǎo)航，本發(fā)明屬于航天導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，不僅可以為深空探測(cè)巡視器提供高精度導(dǎo)航參數(shù)，而且可為其自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。
文檔編號(hào)G01C21/24GK103033189SQ20121057494
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者寧曉琳, 白鑫貝, 房建成 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)