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。     

月面巡视探测器外场试验方法

首先对以Apollo月球车、MER火星车为代表的国外巡视探测器的研制试验进行调研,对它们的外场试验目的、试验工况的设置、外场选址的技术考虑进行了分析总结,认为外场试验对巡视探测器工作过程、遥操作过程的综合验证具有重要的意义,在实现对巡视探测器移动、导航能力考核的同时,还可以验证地面系统,训练操作人员;然后结合月面巡视探测器的任务特点,对其外场试验的目的和内容、外场选址要求、试验工况等进行研究;最后介绍了外场试验方法及任务规划试验、过夜停靠点试验、短距离移动探测试验、任务过程综合演练等4类试验的结果。     

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。     

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。     

月面巡视探测器运动控制方法研究

基于动力学的运动控制是星球探测车研制中的关键技术之一。本文以某多轮驱动、多轮转向的月面巡视探测器运动控制为背景,在建立其三自由度动力学模型的基础上,研究了常规增量式PID和模糊自适应PID控制算法,并进行了仿真比较。典型车轮失效情况下的仿真表明,模糊自适应PID方法能够有效控制月面巡视探测器四轮失效的情况,而常规PID方法能够有效控制探测器三轮失效的情况。模糊自适应PID方法对参数扰动敏感性低,鲁棒性更强,较好地处理了常规控制方法可能产生的小超调与快速性的矛盾。     

月面巡视探测器散热系统方案初步研究

文章利用计算模拟手段分析了月面巡视探测器可以采用的数种散热系统方案的散热能力,并通过比较得出了几种可行的和比较优化的散热系统方案,可为月面巡视探测器的热控设计提供依据。     

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。     

月面巡视探测器直流电机的准极限选择

针对月面巡视探测器特殊使用条件和要求,为充分利用电机的极限性能,提出了基于准极限理论的直流电机的选择准则。用准极限度表征电机极限能力的利用率,根据准极限度小于1且接近于1的准则选择月面巡视探测器的走行轮电机。所选电机在满足要求的前提下,具有较小的质量和体积。     

基于滑转率在线估计的月面巡视探测器多轮协调控制

针对某月面巡视探测器主辅摇臂式6轮独立驱动,提出了一种实时多轮协调控制算法.根据协调运动时各轮轮心线速度在线估计各轮滑转率,经适当修正使其接近于0.3,提高系统的驱动效率.试验结果表明:该算法可改善表征月面巡视探测器6轮协调运行程度的协调度,提高能量利用率.     

月面巡视器定向天线对地指向规划方法研究

针对月面巡视器的工作特点,对其定向天线进行对地指向规划。文章给出了天线波束中心方向矢量和地面站方向矢量的计算方法,并通过调整天线机构转角和巡视器姿态角使天线波束中心指向地面站。一种方法是将巡视器的姿态角作为输入参数,仅调整定向天线2个自由度的转角,即偏航角和俯仰角,实现对地指向;同时巡视器的姿态角也可进行调整,即用巡视器的运动适当地代替天线机构的运动,使定向天线实现对地指向。地面试验结果表明本文的规划方法可行、有效。     

一种双层框架型腿式月球探测车方案

月球车的设计,就行进方式而言,多以轮式车为主。考虑到国外已有的车型及相关研究也多以轮式车为先,这里提出了一种双层框架型腿式车的设计方案,它兼具腿式车和轮式车的优点。文章建立了该型车的三维模型,并利用虚拟样机技术,构建起月球车的动力学仿真环境,并进行了控制算法和步态的设计,通过联合仿真,完成了此车的初步方案设计工作。     

月球巡视器的系统设计优化方法研究

通过月球巡视器的任务分析,指出了巡视器设计中遇到的难题。针对这些难题,在系统工程方法的基础上,借鉴多学科设计优化的思想,提出了月球巡视器的系统设计优化方法。该方法基于月球巡视器的约束条件,在系统层和产品层两个层面开展设计优化,每层分成三个阶段。系统层强调系统设计,保证系统方案的最优,产品层强调单机或部组件设计,确保产品方案最优。嫦娥三号巡视器通过该方法的应用,使其在满足多项约束的前提下各项性能指标达到最优,也验证了该方法的正确性和合理性。此方法对功能复杂、约束严格的航天器具有一定的参考价值。     

月面巡视器的任务层路径规划

使用巡视器对月球表面进行巡视探测是一种高效率、低成本的月球探测方法。路径规划作为巡视器的一项重要技术,通常把它作为导航系统的一部分,只考虑地形通过性的问题。实际上除了地形通过性,还有很多因素对路径选择起到决定性的作用。针对月面巡视器,在大范围区域综合考虑地形、能源、热控、通信等全局因素,给出了一种新的路径规划方法——实时贪婪（Realtime Greedy,RG）算法。运用该算法得到了任务层路径,为巡视器的导航系统提供路标点,并为巡视器的动作安排提供了依据。     

基于粒子群优化算法的月面巡视器全局路径规划

在月面巡视器遥操作系统中,路径规划分为任务级路径规划、全局路径规划和局部路径规划。根据巡视器全局路径规划的应用要求,引入粒子群优化算法应用于全局导航点的规划。针对粒子群算法在路径规划中容易造成不收敛或病态收敛的问题,对算法进行了修改,去掉了速度更新中的速度惯性因子,只保留自身认识因子和社会认识因子,使其在全局路径规划中能够快速收敛;同时引入经典遗传算法中的变异因子以增强算法的全局优化能力。仿真结果表明该算法具有计算简单、全局寻优能力强等特点,能够快速地找到优化的全局导航点。同时在不同的模拟月面地形上进行仿真试验,针对存在的问题提出了对应的二次优化方法,结果表明该方法较好地满足了巡视器全局路径规划的应用需求。     

月球巡视器太阳电池阵电性能仿真模型

建立精准的太阳电池阵电性能仿真模型,可为月球巡视器电源设计方案以及在轨任务规划的验证和优化提供保障。文章依据巡视器设计及月面环境的特殊性,建立了考虑遮挡、月尘等因素的太阳电池阵电性能仿真模型。该模型包括布阵文件编写及导入模块,光强、温度、老化影响计算模块,月尘影响计算模块,以及部分遮挡影响计算模块。对仿真模型进行了仿真分析,并将仿真结果与硬件实测值进行比较,结果表明:两者之间的误差可控制在5%以内,证明了模型的正确性和精准度。