基于知识的宇航员月面导航技术研究

发布时间：2020-04-06 16:35

【摘要】：宇航员在月球表面执行舱外非机动任务时,离不开导航定位技术的支持。和地球表面环境相比,宇航员面临的月球环境更加严峻,微重力和缺乏参照物等因素很容易引起宇航员的空间定向障碍,从而使得宇航员无法自己准确有效地判断自身空间方位,因此需要研制可靠的宇航员导航系统。本文选取惯性器件为主要传感器,研究了一种可穿戴式的宇航员月面导航系统。本文首先分析了月球表面的环境特点,在此基础上确定了以惯性导航技术为主要的导航方式,进一步推导了月面环境下的惯性导航模型,并根据宇航员执行舱外非机动任务的特点,对导航模型进行了简化。由于惯性器件漂移误差的存在,单独的惯性导航误差累积很快,因此需要研究有效的误差校正方法。考虑到月球表面的环境约束,本文将宇航员的先验知识与导航系统相结合,通过分析宇航员月面行走的步态规律,利用宇航员足部与月球表面接触时存在静止时间段这一先验知识,当检测出静态区间后,采用零速修正算法对惯性导航的误差发散进行抑制与修正。同时,为了解决导航系统航向角误差发散的问题,分析宇航员月面行走时的行为特征,进一步引入更多导航知识。首先,为了节约能量和在最短时间内接近目标,在路况允许的条件下宇航员具有直线行走的倾向。同时,宇航员不可能一直处于运动状态,出于定点采样等任务需求,在宇航员行走过程中会出现的短暂的原地停留。本文将这些先验知识同导航系统相结合,进一步约束了宇航员月面导航系统的航向角误差发散,提升导航系统的性能和精度,最后,通过多次行走实验对相关算法进行了测试。
【图文】：

前庭系统,宇航员,感官系统,空间定向

图 1-1 阿波罗登月宇航员月面行走轨迹现空间定向主要依赖三个感官系统：视觉系统，前统即人类的双目视觉，通过观察环境中熟悉的事物息；前庭系统，能够感知重力和运动，负责掌管身布于皮肤、肌肉及关节等位置的躯体神经系统，主然后通过这些感官信息来判断空间方位。在地球上类的前庭系统、视觉系统和躯体感觉系统建立了平信息的平衡被打破，便会导致空间定向困难[7-9]。/6，这种微重力环境会干扰宇航员的前庭系统和躯方位的变化不敏感。此外，由于球上没有大气层，如果宇航员不能适应这种环境，将会造成对物体距离更近[6]。同时，月球上缺少参照物，这也加大了。由此可见，宇航员通过自身判断难以获得准确有部导航设备来提供导航信息，，因此需要研制相应的

概念图

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2014 年期间，美国俄亥俄州立大学的测绘与地理信息员月面导航的相关研究，并且研制了出了一套可穿戴统（Lunar Astronaut Spatial Orientation and InformSOIS 的概念图如图 1-2 所示，系统采用多传感器组合性[14,15]。总体而言，LASOIS 融合了月球轨道上、月球的多种传感器数据，能够实现宇航员在月球表面的初的确定，并且能够为宇航员提供持续不间断的导航定器主要包括轨道探测器上的侦察相机和激光测高仪月球探测器等，可穿戴式传感器主要包括双目相机nit）以及足部压力传感器等（如图 1-3 所示），这些传波技术进行数据融合。研究人员在月面模拟环境下对果表明在 6.1km 的行走距离内，系统级精度能够达到
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.2

【参考文献】