我国月面巡视探测器定位方法研究

月球自动巡视勘查技术中的月面巡视探测器的导航控制,需要研究月面巡视探测器的定位技术。文章通过对国外漫游车定位方法的研究,提出了我国月面巡视探测器在全局坐标系和局部坐标系中进行定位的方法。月面巡视探测器在全局坐标系中的定位可以采用星敏感器以及陆标辨识的方式;局部坐标系的定位可以采用惯性导航系统 里程计以及着陆器帮助下定位和视觉里程计的定位方法。这几种定位方式的组合应用,能够满足月面巡视探测器导航方面的定位要求。     

利用着陆器立体视觉对月面巡视探测器定位

在月面巡视探测器漫游过程中,需要测量月面巡视探测器的位置和姿态信息,以使巡视探测器行驶在规划好的路径上,并确保其安全。定位系统可以采取多种方式。在文章中,利用着陆器立体视觉系统对月面巡视探测器定位方法进行了研究,它采用立体视觉测量技术以及彩色图像分割的方法,进行跟踪测量月面巡视探测器位姿信息,能够对惯导系统加里程计的定位方法进行修正,减小月面巡视探测器的计算工作量。在定位方法的研究中,采用彩色图像分割方法对月面巡视探测器进行识别,能够适应变光照条件,并且运算速度快,达到实时图像伺服控制的目的。通过月面巡视探测器上制作特征点及采用基于四边形约束的特征点匹配方法,提高了图像匹配概率。通过卡尔曼滤波技术,能够满足任意时刻的月面巡视探测器定位要求。     

月面巡视探测器立体相机共线方程的建立

为了准确提取月面巡视探测器探测区域的DEM并实现对月面巡视探测器的高精度定位,需要根据月面巡视探测器携带的立体相机的成像原理和配置情况,建立立体相机的共线方程。文章讨论了在水平和垂直方向旋转摄影条件下,月面巡视探测器桅杆上的立体相机的共线方程。     

带机械臂的月面巡视探测器的路径规划方法研究

针对巡视探测器路径规划和机械臂路径规划的不同和两者需要依次执行的连接需求,文章将月面巡视探测器的路径规划过程分为三个阶段：巡视探测器的路径规划、机械臂的路径规划、器臂动态联合的路径规划,针对不同的规划分别提出了不同的规划方法,并进行了仿真验证。研究结果表明,巡视探测器的整个路径规划是一个复杂的运算规划过程,在非结构化月面环境下,基于月面三维数字高程图采用改进的启发式搜索（A＊）算法,可以比较高效地完成巡视探测器的路径规划;在采用蒙特卡罗法建立机械臂可达工作空间的基础上,可以比较简单、准确地获取机械臂的规划路径;巡视探测器整个就位探测过程的实现需要两种规划的动态联合。     

月面巡视探测器关键技术分析

介绍了月面巡视探测器国内外的基本情况，分析了月面巡视探测器设计和研制的主要特点。并根据科学目标形成了月面巡视探测器的概念性设想，对月面巡视探测器的系统组成、工作程序与模式、有效载荷承载比例、工作寿命、移动范围、安全防护能力，以及集成化进行了初步设计。进而提出和分析了其主要关键技术。     

嫦娥三号巡视器GNC分系统研制纪实

2003年,我国第一辆月球车（月面巡视探测器）原理样机开始预先研制;2013年,我国第一台月面巡视探测器落月。10年时间,中国航天科技集团公司五院巡视器制导、导航与控制（GNC）分系统的设计师们,为了让巡视器能在陌生的月面上看得清、辨得明、走得正,从无到有、呕心沥血、集智攻关,研制了我国第一套巡视探测GNC系统,为中国的第一台月面巡视探测器掌舵导航!     

月面巡视探测器行为控制初探

阐述了月面巡视探测器几种行为控制结构的特点,详细阐述了巡视探测器的导航运动控制方式,研究了国外巡视探测器的导航运动控制特点;并以此提出了巡视探测器基于模糊逻辑的分层行为控制模式,举例说明了巡视探测器的行为描述方式。     

月面着陆器与巡视器同波束差分时延相对定位算法

针对月球着陆巡视探测活动中的月面着陆器与巡视器的相对定位问题,建立了月面双目标相对运动方程和状态方程,给出了同波束差分时延测量量关于双目标相对位置的测量方程,进而实现了基于统计估计方法解算双目标相对位置的算法。结合嫦娥三号探测器跟踪测量条件,利用该算法开展仿真分析。结果表明:在测量弧段达到5min以上、同波束干涉测量(SBI)时延仅有1ns随机误差的情况下,相对定位精度可达20m;测量数据存在3ns系统误差时,相对定位精度为200m,此时如果增加甚长基线干涉测量(VLBI)时延数据,可将相对定位精度提高到150m。利用嫦娥三号实测数据处理结果验证了此算法的正确性和仿真分析的有效性,可为合理制定月面双目标相对定位策略提供参考。     

月面地形地貌环境模拟初步研究

文章介绍了在月面巡视探测器室内试验场建设过程中有关月面典型地形地貌环境模拟的初步工作。通过现有关于真实月壤的物理机械性质的总结,考察了利用火山灰模拟月壤的可能性。通过对比分析两者主要的物理机械性质,可以得出:利用加工的火山灰模拟月壤用于月面巡视探测器移动性能等试验研究是可行的。为今后深入研究月面地形地貌和月面巡视探测器的地面试验进行了有益的尝试。     

月面数字地形构造方法研究

月面巡视探测器着陆区域的地形将对其产生重要的影响。文章对月面数字地形构造方法进行了研究。首先,对月面典型地形特征石块和撞击坑的分布规律和典型形状进行了分析。其次,说明了数字地形的生成流程。再次,先后利用两种方法确定石块和撞击坑的直径,在此基础上构建了数字地形。一种方法是根据巡视器的越障能力确定石块和撞击坑直径,该方法可在一定程度上满足巡视探测器移动性能试验需求;另一种方法是随机生成石块和撞击坑的直径,使生成的地形符合月面的实际情况,不仅可以应用于巡视探测器的移动性能试验,而且也可以应用于路径规划和着陆器着陆过程的模拟。     

一种基于UPF的月球车自主天文导航方法

介绍了月球车自主天文导航原理和传统的迭代解析高度差方法，提出了一种基于月球车运动模型和UPF（Unscented粒子滤波）的自主天文导航新方法。该方法仅需利用由星敏感器和惯性测量单元测量得到的恒星的天体高度，结合月球车的运动模型，通过UPF滤波，即可获得高精度的月球车实时位置信息。计算机仿真结果表明该方法与传统方法相比，定位精度有了大幅提高，同时对几个关键的精度影响因素的仿真分析显示该方法可以有效的减弱量测噪声，星历误差等对系统性能的影响，使系统具有更高的适应能力。     

基于模糊逻辑的月球车逆运动学求解方法

研究了月球车逆运动学问题，即在月面数字地形图、月球车水平面坐标和航向角给定时，实时估计6轮摇臂转向架式月球车质心高度、位形（configuration）和姿态中的俯仰角和横滚角的问题。分析了6轮摇臂转向架式（rocker-bogie）月球车运动学模型，提出使用模糊逻辑结合虚拟传感器快速实时求解月球车逆运动学问题的新方法。此方法在月球车三维仿真平台中得到验证。实验结果表明此方法求解速度小于1／40s，同时保证月球车车轮到地面的距离小于0．02m。     

月球低重力模拟设备位姿测控系统优化设计

为巡视器地面行走验证试验专门研制了月球低重力模拟设备。在验证试验中需要对巡视器的位姿进行测量,针对这一需求,文章提出了基于双相机的非接触测量方案,同时研制了相应的位姿测控系统,对其硬件和软件进行了优化设计。利用该位姿测控系统开展了巡视器的位姿测量,有效解决了位姿测量和控制过程中的问题。经充分测试验证,系统满足巡视器地面行走验证试验的要求。     

利用搜索法对嫦娥三号着陆器和巡视器定位

针对嫦娥三号巡视器相对定位时同波束甚长基线干涉测量（VLBI）差分相位时延存在纳秒量级模糊度的问题,提出利用搜索法对巡视器和着陆器的相对位置进行确定,并将该方法应用于着陆器的绝对位置的确定。首先介绍对嫦娥三号着陆器和巡视器测量的模式以及定位的原理,然后进行相应定位计算。利用该方法对着陆器定位结果与统计定位法结果比较,位置差100m左右,与月球勘测轨道飞行器（LRO）航拍定位结果差异在75m;该方法对巡视器在各停泊点的相对定位结果,与统计定位结果比较,位置差小于1m。     

月球车驱动轮在模拟月壤上的沉陷特性实验分析

车轮沉陷量是影响月球车通过性能的关键因素之一。文章用一种月球车的刚性车轮在模拟月壤上进行了以不同滑转率滚动的沉陷量测试实验;根据模拟月壤的加载和重复加载力学特性模型,探讨了车轮首次通过和重复通过的沉陷量的计算方法,计算结果与测量值的差小于8%;进一步分析了等重的两轴和三轴月球车的后轮沉陷量。     

一种新型复合构型月球车的越障特性分析

将轮式、腿关节式、履带式三种机构结合起来设计了一种月球车,此车对低重力条件下的月球表面实际环境具有良好的适应性。月球车在起伏不平的地表环境中具有独特的动态特性,通过对月球车障碍地形下的越障运动过程进行理论建模和数值仿真,进而建立虚拟样机模型进行动态仿真对比研究,分析了月球车的越障特性,验证了机构设计的有效性。     

月尘对太阳电池的遮挡效应研究

月尘的沉积对月面探测器太阳电池系统是一种严重的威胁。为了对月尘沉积所引起的太阳电池性能衰减进行预估,文章建立了一种月尘遮挡模型,可用于月尘遮挡效应的研究,并可作为月球探测器防尘设计的参考工具。