[发明专利]一种深空探测巡视器惯性/视觉组合导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及深空探测巡视器在行星表面巡视勘察时，基于图像特征点像素坐标信息的惯性/视觉组合导航方法，是一种非常适用于深空探测巡视器的自主导航方法。

背景技术

深空探测作为人类航天活动的重要领域，对一个国家的科学研究、经济发展和军事应用价值都有一般航天活动无法比拟的特殊作用。深空探测巡视器作为当前行星际探测的主要工具，在行星表面自动巡视勘测、图像获取、采样分析和返回等方面发挥着重要作用，是当前研究的热点之一。

巡视器要在行星表面陌生的非结构化环境中安全行驶和工作，有效的导航是其可以成功完成预定科学探测任务的前提。由于行星空间环境的特殊性，现有的大多数地面机器人导航方法往往不能用于深空探测巡视器，当前深空探测巡视器主要还是借助地面测控站进行遥测遥制，但我国受地理条件的限制，加之地球和各天体的自转和公转运动的影响，可测控时间较短，而且即使在可测控时段，从测量数据下传到控制信息上传之间也存在较长的时间延迟，如NASA火星探测任务中一个导航控制指令的延迟通常为一个火星日，因此为提高巡视器的安全性、可靠性以及工作效率，较先进的技术是机器人利用自己的传感和控制系统实现自主导航。

目前可以用于深空探测巡视器的自主导航方式主要有：惯性导航（航位推算）、天文导航、视觉导航和组合导航等。惯性导航具有自主性强、短时精度高、导航参数完备等优点，但由于惯性器件存在漂移，其导航误差随时间积累。视觉导航系统具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、图像信息丰富、抗干扰能力强等优点，对于短距离的障碍检测和路径规划非常有效，但数据更新率低。惯性导航和视觉导航有其各自的特点，并具有互补的特性，将两种导航方法相结合，取长补短，利用信息融合技术进行组合导航，可以最大限度地提高导航的精度和可靠性。目前应用于巡视器的惯性/视觉组合导航方法主要是惯性导航（航位推算）和视觉里程计相结合的方法，在可能存在滑移的情况下，使用视觉里程计完全取代IMU和车轮里程计得到的位置信息，而没有使用卡尔曼滤波及相关算法来融合IMU，车轮编码器和视觉里程计的运动信息。该方法没有通过组合导航的方式来提高导航精度，而是分时使用两种导航方法，且由于视觉里程计是通过运动估计获得相邻时刻的相对导航参数，然后在前一时刻导航参数基础上进行叠加来更新导航结果，其本身误差亦会随时间积累，从而导致导航的精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服传统的惯性导航和航位推算相结合的位置估计方法在产生滑移情况下的精度低、安全性差等缺点，弥补惯性导航与视觉里程计组合模式中运动估计误差对组合导航精度影响大这一不足，为深空探测巡视器在行星表面漫游提供一种高精度的惯性/视觉组合导航方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：建立恰当的深空探测巡视器状态模型，通过双目视觉相机连续拍摄获得巡视器周围环境信息的立体图像序列，再通过图像特征提取获得图像中的特征点像素坐标，建立以特征点像素坐标为量测量的量测模型，使用Unscented卡尔曼滤波估计深空探测巡视器的导航参数。

具体包括以下步骤：

1.建立深空探测巡视器惯性/视觉组合导航系统状态模型；

选取行星固连坐标系为全局参考坐标系，其定义为：原点与行星质心重合，Z轴指向行星北极，X轴指向行星赤道面与0°子午线的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系，根据捷联惯导在行星固连坐标系下的导航解算方程，可得组合导航的状态模型：