未来行星表面漫游车自主导航技术研究

随着深空探测的距离越来越远，测控资源及能源的约束使得目前的行星表面漫游车采用遥操作加部分自主移动的在轨任务操作方式，越来越不适应未来科学探测的需求，而未来的深空探测任务对漫游车控制系统提出了更快、更轻、更智能的要求.对目前月球与火星表面漫游车自主导航控制系统的结构、能力进行了对比分析，给出了目前控制系统自主能力的约束条件，提出了未来行星表面漫游车的自主导航控制系统的体系结构及设计期望，并对未来行星表面漫游车自主等级进行了初步划分，为我国未来行星表面漫游车自主导航控制系统的研究提供技术支撑与发展规划指导.     

可减小跟踪误差的月球探测车协调驱动模糊自适应控制

 针对六轮月球探测车的协调驱动控制问题,提出一种间接模糊自适应控制设计方案。基于Lyapunov方法,证明所设计的控制方案不但能使跟踪误差收敛到原点的小邻域内,而且通过适当增大设计参数的值,可减小跟踪误差,从而提高控制精度。通过对月球探测车的协调驱动控制的仿真研究验证了此方法的有效性。     

基于Zernike矩的高精度太阳图像质心提取算法

在基于太阳观测的月球车天文导航系统中,针对太阳传感器中图像噪声以及典型图像退化的不良影响,提出了一种基于Zernike矩的高精度太阳质心提取算法。采用Sobel算子进行边缘检测,Zernike矩重定位亚像素边缘,用最小二乘法拟合圆心。而当图像存在退化时,进行有效圆边缘点检测后,再用该法提取质心。从理论上分析了Zernike矩亚像素边缘检测对圆拟合法的改进作用。利用仿真图像和地表实验图像,将本文方法与传统的重心法、带阈值的重心法和圆拟合法进行了比较。结果表明,本文方法精度更高,具有更好的稳定性,可以对月球车天文导航精度的提高起良好作用。     

月球车牵引力优化控制

月球车的运动控制是月球车完成探测任务的前提．为了解决月球车在月球表面上的运动控制问题,针对月壤环境以及月球车驱动系统冗余的特点,研究月球车闭环协调牵引控制问题．对非结构化环境且轮地之间存在滑移的6轮摇臂悬架月球车进行运动学建模与分析,建立相应的动力学方程以及准静态平衡方程,并使用零空间优化的思想对月球车的力分配进行优化配置,最后给出仿真结果,验证了算法的有效性．     

一种基于CAHVOR模型的导航相机标定方法

在月球车探测任务中,一般通过对相机采集到的图片进行三维重建分析获得路面情况信息,精确标定相机是这些工作的前提.相机标定要求算法简单且能满足高精度要求,CAHVOR相机标定方法经JPL实验验证并成功地应用于火星探测器（MER）任务中,该方法从矢量角度分析相机成像原理.分析该方法的标定原理和参数求解算法,对该方法进行数字仿真,验证算法精度.为了进一步分析标定精度和速度,通过试验对该算法与传统的摄影测量标定方法进行比较,结果显示CAHVOR方法可达到满意的标定精度要求,而且在标定算法速度方面具有快速的优点.     

月球车释放对着陆器稳定性的影响

因基于摇臂式月球车释放机构在月球车释放时对着陆器的倾翻力矩较大,易使着陆器倾翻而导致整个探测任务失败,所以对月球车着陆释放时着陆器稳定性的研究尤为重要.将着陆器腿不等量压缩、月面坡度、低重力环境、释放加速度等因素进行参数化处理;应用D-H坐标法得到基于各参量的支撑多边形坐标以及着陆器和月球车的位姿方程,进而建立了月球车...     

Automatic detection of typical dust devils from Mars landscape images

This paper presents an improved algorithm for automatic detection of Martian dust devils that successfully extracts tiny bright dust devils and obscured large dust devils from two subtracted landscape images. These dust devils are frequently observed using visible cameras onboard landers or rovers. Nevertheless, previous research on automated detection of dust devils has not focused on these common types of dust devils, but on dust devils that appear on images to be irregularly bright and large. In this study, we detect these common dust devils automatically using two kinds of parameter sets for thresholding when binarizing subtracted images. We automatically extract dust devils from 266 images taken by the Spirit rover to evaluate our algorithm. Taking dust devils detected by visual inspection to be ground truth, the precision, recall and F-measure values are 0.77, 0.86, and 0.81, respectively.     

月球车车轮与模拟月壤相互作用试验

设计搭建了深空探测车车轮牵引特性试验台,制备了轮土试验用模拟月壤,在土槽中进行了模拟月壤的整备,重塑了就位月壤的力学特性.对不同轮齿类型的刚性车轮进行了牵引特性试验,分析了轮下模拟月壤的剪切破坏和车轮行驶阻力的表现形式.结果表明:增大轮上载荷能够提高挂钩牵引力,车轮的牵引效率随着滑转率的增加呈现先增加后降低的趋势;随着轮齿高度的增加,挂钩牵引力会随之增大,车轮的最大牵引效率有所降低;随着轮齿数目的增加,挂钩牵引力会随之增大,车轮的牵引效率变化不大;车轮转速在数值较低的范围内变化时,对牵引性能的影响较小.     

非结构化环境下月球车快速即时定位与制图方法

激光雷达的实时环境扫描与已构建环境模型之间的匹配是月球车即时定位与制图(SLAM)过程中的关键步骤,其收敛速度和准确性直接决定了SLAM的成败。月球表面是一种典型非结构化环境,其环境场景特征复杂。若通过三维激光匹配方式则传感器数据量大,特征匹配的难度高,实时性差。针对于此,本文提出了一种基于ICP算法的激光点扫描匹配方法－类等高线匹配方法,将二维激光雷达的实时扫描数据与已构建的三维环境高程图相匹配,利用RBPF粒子滤波实现位姿与地图状态的估计,采用自行研制的小型激光雷达硬件平台,较好地实现了月球车原理样机的快速SLAM过程。实验表明,基于该方法的即时定位与制图过程对于月球车位姿估计的鲁棒性强,实时性好。     

基于地面图像和卫星图像集成的火星车定位新方法

提出了一种基于地面图像和卫星图像集成的火星车定位新方法,该方法利用由导航相机立体图像得到的火星表面的点云数据提取石块,同时对高分辨率卫星图像局部灰度统计提取石块,通过地面和卫星图像中石块分布模式的匹配,实现火星车在卫星图像中的定位,从而消除仅利用地面传感器和影像定位产生的累计误差。采用NASA勇气号火星车在多个摄站获取的地面图像以及HiRISE卫星图像进行了实验验证,结果表明这种方法在石块较多的地区能够取得很好的自动定位结果,定位误差小于HiRISE卫星图像的一个像素（0．25m）。