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。     

嫦娥三号月面巡视器机械臂就位探测规划

提出了一种基于SA *算法的嫦娥三号月面巡视器机械臂就位探测规划方法。建立了机械臂的正逆运动学模型,满足机械臂与环境不存在干涉的约束条件,并通过碰撞检测避免机械臂与环境和巡视器本体发生干涉;利用SA *算法在机械臂的工作空间进行搜索,在机械臂位形切换次数最少的优化条件下,实现了月面巡视器机械臂就位探测规划;通过月面巡视器在轨任务执行数据验证了基于SA *算法的月面巡视器机械臂就位探测任务的可行性。     

巡视器对地指向受月表地形的影响分析

对探月巡视器在静止状态和移动状态下的测控状态包括高低角和方位角进行了计算分析,计算考虑了理论状态以及叠加了虚拟地形的两种情况,分析了月表地形起伏对测控状态的影响。文章首先给出了着陆点在理论静止状态下高低角和方位角的计算结果以及与卫星仿真工具包(STK)的比对分析情况;其次考虑到月表地形的存在,构造一种虚拟地形,在月球车给定的行走路线上分析了地形对测控方位的影响。     

一种三维地形特征提取和匹配方法

针对行星漫游器地形相关导航中的地形匹配问题，提出一套三维地形特征提取匹配方法。该方法通过特征邻域散布矩阵特征值检测凸起和凹陷地形，以特征间距离和方向为元素构成三维特征描述集合，并引入集合相似理论判别特征是否匹配。由于采用特征之间的相对位置关系描述特征，从而提高了稀疏三维点云条件下地形特征的显著性。仿真结果表明，对于激光雷达（LiDAR）获取的三维地形数据，所提方法在特征重复检出率和正确匹配率方面优于现有方法，能够满足行星漫游器导航对地形匹配的要求。     

双月球探测器相对定位的同波束VLBI技术研究

针对着陆器和月球车数传信号无法在同一通道内记录的问题,提出利用射电源观测修正不同通道装置内部时延的同波束甚长基线干涉测量（VLBI）方法,解算含微小偏移量的差分相时延。利用嫦娥二号两个X波段VLBI信号观测数据和上海、昆明、乌鲁木齐三个台站的同波束VLBI器地对接数据验证了提出的方法。结果表明解算的含微小偏移量差分相时延形式误差在皮秒量级,系统误差在0.5ns(纳秒)左右,有望把月球车的相对定位精度提高至数十米。     

嫦娥三号巡视器的惯导与视觉组合定姿定位

针对“嫦娥三号”的“玉兔号”巡视器在月面未知环境中避障与安全行进的要求,分析和阐述了“玉兔号”巡视器在地面遥操作中心的控制下利用惯导和视觉组合进行月面导航与精确定位的实现方法,并结合现有的导航定位研究对“玉兔号”巡视器导航与定位的工程创新性进行了总结,阐明了惯导定位和视觉定位技术在“玉兔号”巡视器月面探测过程中的工程应用特点.最后,通过“玉兔号”巡视器着月点的精确定位实验,验证惯导和视觉相结合的定位方法的有效性,定位精度近似达到总行驶里程的1％,这对“玉兔号”巡视器开展月面探索和准确抵达科学目标位置具有重要作用.     

Thin film surface treatments for lowering dust adhesion on Mars Rover calibration targets

The current generation of calibration targets on Mars Rover serve as a color and radiometric reference for the panoramic camera. They consist of a transparent silicon-based polymer tinted with either color or grey-scale pigments and cast with a microscopically rough Lambertian surface for a diffuse reflectance pattern. This material has successfully withstood the harsh conditions existent on Mars. However, the inherent roughness of the Lambertian surface (relative to the particle size of the Martian airborne dust) and the tackiness of the polymer in the calibration targets has led to a serious dust accumulation problem. In this work, non-invasive thin film technology was successfully implemented in the design of future generation calibration targets leading to significant reduction of dust adhesion and capture. The new design consists of a μm-thick interfacial layer capped with a nm-thick optically transparent layer of pure metal. The combination of these two additional layers is effective in burying the relatively rough Lambertian surface while maintaining diffuse properties of the samples which is central to the correct operation as calibration targets. A set of these targets are scheduled for flight on the Mars Phoenix mission.     

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。     

火星探测出舱机构的识别定位与坡度测量

为实现火星探测两器分离过程中出舱机构的坡度测量,提出一种基于立体视觉技术的出舱机构识别定位与坡度测量方法。首先,采用特征匹配的方法对场景中的出舱机构进行识别定位。针对巡视器导航相机成像视角变化以及出舱机构倾角变化导致图像产生几何形变,火星表面光照因素的影响以及巡视器硬件的计算能力,并结合出舱机构自身特点,提出一种区域特征与Blob特征相融合的识别定位方法。采用加速鲁棒性特征（SURF）算法检测图像中的局部不变特征,并用最大稳定极值区域（MSER）算法检测图像最稳定极值区域,两种特征相融合之后构造SURF描述算子并进行特征匹配。同时,采用M估计抽样一致性（MSAC）算法计算对应点变换矩阵,实现出舱机构在场景中的初步定位。然后,通过对出舱机构上人工标志的精确定位以及三维重建,并采用主成分分析法进行平面拟合,实现出舱机构的坡度测量。试验结果表明,该方法对成像视角变化以及光照变化具有鲁棒性,提取的有效特征数以及计算时间均优于尺度不变特征变换（SIFT）算法,基本满足火星探测中出舱机构坡度测量要求。     

车辙图像频域分析及星球车车轮滑转率估计方法

在月面环境下车轮滑转影响月球车的运动性能和定位精度,针对星球车车轮滑转率检测问题,提出一种基于车辙图像频域特征的滑转率估计方法。通过分析车轮与土壤相互作用过程与车辙形成机理,建立车辙的时域参数化解析模型。并在车辙构造时域解析模型基础上,通过对车辙图像进行频域分析,建立了基于车辙图像基频特征的车轮滑转率估计模型。此外,介绍了一种适用于该方法的车辙频域特征提取和图像处理技术。通过试验证明,该方法只需检测车辙图像基频便可以实现车轮滑转率非接触式精确估计。采用本方法估计车轮滑转率,相对精度可达3%。