面向行星表面自主巡游的多源数据融合与自主导航研究
发布时间：2021-11-19 15:38
近年来人类对远离地球的天体研究逐渐成为研究热点,尤其是火星。对于探测器,由于距离的限制,远程遥控通信延迟过大,使得自主导航成为巡游车执行任务的关键,其需要结合各种传感器以及相关算法确定巡游车的位姿,并完成地图创建,继而进行路径规划并执行相关科学任务。本课题针对此相关问题,以近期NASA公开改装的火星车样机为研究载体,通过融合惯性激光雷达、惯性传感器和双目相机,完成巡游过程中行星表面同时定位与地图构建,为巡游车的科学实验提供支撑。首先,基于阿克曼运动原理,建立了巡游车的运动控制模型,可以实现对巡游车的6个前进驱动电机以及4个转角控制电机的速度解算,从而保证巡游车的驱动能力。其次,研究了基于多传感器数据融合的同时定位与地图构建。以Lego＿loam算法为基础,进一步融合了双目相机,以弥补激光雷达信息量不足的缺点。合理融合了激光雷达、惯性传感器与双目相机,形成优势互补。在实现准确定位结果的同时,完成了对三维点云的分割提取。然后,完成了激光雷达与双目相机的外参配准,以及基于双目相机的障碍物检测。对已有的基于特征点的配准算法进行改进,修改了对双目相机特征点的提取方式,以及增加了对多次匹配求取的结...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院微小卫星创新研究院）上海市
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
苏联月球车
引言3（a）月球车1号（b）月球车2号图1.1苏联月球车Figure1.1Sovietlunarrover（a）月球流浪者（b）“索杰纳号”巡游车图1.2美国月球车和火星车Figure1.2AmericanLunarRoverandMarsRover对于火星的探测，人类迄今共尝试过44次，这其中包含了56个探测器，多数以失败告终，只有19次成功完成任务（江山，2019）。在1960年10月10日，苏联向火星发射了探测器，也是人类首次尝试，但是以失败告终。到目前为止，顺利完成探测任务的有：“海盗”、“海盗2”、“探路者”、“机遇”、“勇气”、“凤凰”、“好奇”、“洞察”，其中包含四辆巡游车，分别为“索杰纳号”、“机遇号”、“勇气号”、“好奇号”（程亦之，2019）。1997年，随着美国的“火星探测路者”任务成功实施，“索杰纳号”顺利着陆。“索杰纳号”是首辆在火星上表面上通过巡游考察的方式进行科学研究的星表巡游车，其采用了六轮摇臂悬吊式结构，可越过15cm的岩石障碍物和小于30度
面向行星表面自主巡游的多源数据融合与自主导航研究4的斜坡，如图1.2（b）所示。它的主要导航方式为惯性导航，通过利用双目相机辅助导航来矫正航位推算带来的误差（MatijevicJ等，1997）。2003年，美国国家航空航天局启动了“火星探测漫游者计划”，在这项计划中，包含勇气号和机遇号两辆火星巡游车，对火星星表进行长时间连续的实地考察，如图1.3所示。勇气号和机遇号通过融合视觉和惯性传感器进行定位：在平坦并且障碍物少的区域使用惯性传感器进行导航，在光滑的地形或者斜坡上使用双目相机进行导航。除此之外，勇气号和机遇号还结合了其他定位方式，例如天文导航、无线电定位等，从而满足巡游车在不同场景、不同条件下的保持定位与导航的精确度（LiR等，2004）。（a）勇气号（b）机遇号图1.3勇气号和机遇号Figure1.3CourageandOpportunity2011年，美国研制出首个以核燃料为动力的火星车——好奇号，并成功将其送往火星，对生命元素进行探测（任秋凌，2013），如图1.4（a）所示。好奇号所采用的导航定位系统与机遇号和勇气号基本相同（邸凯昌，2015），但其携带了更先进的传感器以及电子设备，行驶能力和探测能力都有很大的提高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]火星探测器全任务期空间环境特征与防护要点[J]. 蔡震波,曲少杰. 航天器环境工程. 2019(06)
[2]基于三维激光的图优化即时定位与建图策略[J]. 张天喜,周军,廖华丽,杨跟. 激光与光电子学进展. 2019(20)
[3]火星探测的现在和未来——各国争相奋进登陆[J]. 程亦之. 中国航天. 2019(08)
[4]基于3D特征点的激光雷达与立体视觉配准方法[J]. 陈少杰,朱振才,张永合,郭明,支帅. 激光与光电子学进展. 2020(03)
[5]基于多传感器融合SLAM应用的室内机器人研究分析[J]. 施平. 科技资讯. 2019(09)
[6]美两颗曾助力火星探测的立方星失去音信[J]. 江山. 太空探索. 2019(03)
[7]旅行者号:星际长路四十载[J]. 李会超. 太空探索. 2019(02)
[8]基于阿克曼原理的集装箱装车机器人的设计与仿真[J]. 蓝捷,高雪官. 机电一体化. 2018(Z1)
[9]行星车视觉导航与自主控制进展与展望[J]. 郭延宁,冯振,马广富,郭宇晴,张米令. 宇航学报. 2018(11)
[10]基于ROS的室内传件机器人设计[J]. 温鑫,曾丹,王宁. 工业控制计算机. 2018(04)
硕士论文
[1]基于改进光流法的自主移动机器人导航方法研究[D]. 郑宇凌.北京工业大学 2017
本文编号：3505343
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院微小卫星创新研究院）上海市
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
苏联月球车
引言3（a）月球车1号（b）月球车2号图1.1苏联月球车Figure1.1Sovietlunarrover（a）月球流浪者（b）“索杰纳号”巡游车图1.2美国月球车和火星车Figure1.2AmericanLunarRoverandMarsRover对于火星的探测，人类迄今共尝试过44次，这其中包含了56个探测器，多数以失败告终，只有19次成功完成任务（江山，2019）。在1960年10月10日，苏联向火星发射了探测器，也是人类首次尝试，但是以失败告终。到目前为止，顺利完成探测任务的有：“海盗”、“海盗2”、“探路者”、“机遇”、“勇气”、“凤凰”、“好奇”、“洞察”，其中包含四辆巡游车，分别为“索杰纳号”、“机遇号”、“勇气号”、“好奇号”（程亦之，2019）。1997年，随着美国的“火星探测路者”任务成功实施，“索杰纳号”顺利着陆。“索杰纳号”是首辆在火星上表面上通过巡游考察的方式进行科学研究的星表巡游车，其采用了六轮摇臂悬吊式结构，可越过15cm的岩石障碍物和小于30度
面向行星表面自主巡游的多源数据融合与自主导航研究4的斜坡，如图1.2（b）所示。它的主要导航方式为惯性导航，通过利用双目相机辅助导航来矫正航位推算带来的误差（MatijevicJ等，1997）。2003年，美国国家航空航天局启动了“火星探测漫游者计划”，在这项计划中，包含勇气号和机遇号两辆火星巡游车，对火星星表进行长时间连续的实地考察，如图1.3所示。勇气号和机遇号通过融合视觉和惯性传感器进行定位：在平坦并且障碍物少的区域使用惯性传感器进行导航，在光滑的地形或者斜坡上使用双目相机进行导航。除此之外，勇气号和机遇号还结合了其他定位方式，例如天文导航、无线电定位等，从而满足巡游车在不同场景、不同条件下的保持定位与导航的精确度（LiR等，2004）。（a）勇气号（b）机遇号图1.3勇气号和机遇号Figure1.3CourageandOpportunity2011年，美国研制出首个以核燃料为动力的火星车——好奇号，并成功将其送往火星，对生命元素进行探测（任秋凌，2013），如图1.4（a）所示。好奇号所采用的导航定位系统与机遇号和勇气号基本相同（邸凯昌，2015），但其携带了更先进的传感器以及电子设备，行驶能力和探测能力都有很大的提高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]火星探测器全任务期空间环境特征与防护要点[J]. 蔡震波,曲少杰. 航天器环境工程. 2019(06)
[2]基于三维激光的图优化即时定位与建图策略[J]. 张天喜,周军,廖华丽,杨跟. 激光与光电子学进展. 2019(20)
[3]火星探测的现在和未来——各国争相奋进登陆[J]. 程亦之. 中国航天. 2019(08)
[4]基于3D特征点的激光雷达与立体视觉配准方法[J]. 陈少杰,朱振才,张永合,郭明,支帅. 激光与光电子学进展. 2020(03)
[5]基于多传感器融合SLAM应用的室内机器人研究分析[J]. 施平. 科技资讯. 2019(09)
[6]美两颗曾助力火星探测的立方星失去音信[J]. 江山. 太空探索. 2019(03)
[7]旅行者号:星际长路四十载[J]. 李会超. 太空探索. 2019(02)
[8]基于阿克曼原理的集装箱装车机器人的设计与仿真[J]. 蓝捷,高雪官. 机电一体化. 2018(Z1)
[9]行星车视觉导航与自主控制进展与展望[J]. 郭延宁,冯振,马广富,郭宇晴,张米令. 宇航学报. 2018(11)
[10]基于ROS的室内传件机器人设计[J]. 温鑫,曾丹,王宁. 工业控制计算机. 2018(04)
硕士论文
[1]基于改进光流法的自主移动机器人导航方法研究[D]. 郑宇凌.北京工业大学 2017
本文编号：3505343
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3505343.html
