基于全功能太阳罗盘的月球车位姿自主确定方法技术

本发明专利技术是一种用于深空探测科学及地球观测领域的基于全功能太阳罗盘的月球车位姿自主确定方法。该方法是以观测设备、嵌入式ＰＣ１０４＋计算机及内置于广角太阳相机的嵌入式ＴＭＳ３２０计算机为基础完成的。本发明专利技术利用在嵌入式系统中的广角太阳相机、ＩＭＵ及高速激光雷达接口程序获取数据；并将月球车位姿确定任务交与系统中的智能太阳识别与处理、月球垂直陀螺、初始位姿校准、高精度太阳罗盘导航、位姿补偿方法、基于地图重建与即时定位（ＳＬＡＭ）月球车速度估计、具有速度修正的月球车位姿确定、基于太阳连测的经纬校准的各方法模块并行运行，整个系统中所执行的处理方法共同完成了月球车位姿的确定。该方法为月球车提供适应月球环境的自主位姿确定提供了高可靠性的方案。

【技术实现步骤摘要】

是以月球探测车(简称月球车)为应用 对象的天文与惯性联合导航方法，属深空探测科学及地球观测科学与工程领域。可广泛应 用于月球车、火星车及地面作战机器人的导航与控制系统当中。
技术介绍
作为月球车的导航技术面临三项重要环境约束(1)月球无地磁，现有的磁罗盘技术 不能应用；(2)月球是慢自旋的(相对地球自转慢了近30倍)，陀螺寻北技术不能应用于 月球北向确定；(3)尽管现代飞行器及航天器广泛利用太阳及恒星逬行位置确定，但在月球车巡游探测吋，采用太阳敏感器或星敏感器，都易受粉尘污染，致使使用寿命很短。另一方面，月球离地球很远，通信及数据处理延吋一般高于8秒甚至达数十分钟，要求月球 车具有自主位姿确定能力。因而，需要根据月球无地磁、慢自旋、粉尘污染的环境特点提 出新的位姿自主确定方法，以满足曰益增长的月球巡视探测任务的需要。现有的月球与火星车的自主位姿确定方法尚未形成，美国火星车自主位姿确定利用了 火星GPS系统，目前尚未见到相关专利与文献对位姿方法进行系统分析与证明。美国及曰 本在月球与火星车的位姿确定方面都有自己的方案，但不是自主式的、系统的绝对位姿确 定方法，即不能提供相对月球车经纬度、相对地平指北系的航向及月球车相对地平系的速 度。现有的技术方案不能满足对月球制图、月球资源普査等科学任务的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为月球车提供适应月球环境，特别是无地磁、慢自旋、粉尘污染 环境(除月球车运行过程中产生的粉尘，还有由于高低温环境产生的粉尘环境，该机理尚 无科学解释)的月球车自主位姿确定方法。1.技术方案与系统结构本专利技术的技术方案参见系统结构框图1和工作过程图2，本专利技术是由观测设备、嵌入 式PC104+计算机及内置于广角太阳相机1.1的嵌入式TMS320计算机为基础完成的，其中 与嵌入式PC104+计算机集成的观测设备有广角太阳相机l.l、称为IMU1.2的惯性单元、 吋钟1.3及高速激光雷达1.4;在广角太阳相机1.1内置的嵌入式TMS320计算机中包含的 模块有智能太阳识别与处理方法模块2;在PC104+计算机中包括的模块有通信与任务调 度模块IO、月球车自主位姿确定任务模块；月球车自主位姿确定任务模块包含月球垂直 陀螺方法模块3、初始^I姿校准方法模块4、高精度太阳罗盘导航方法模块5、位姿补偿方 法方法模块6、基于地图重建与即吋定位(SLAM)月球车速度估计方法模块7、具有速度 修正的月球车位姿确定方法模块8、基于太阳连测的经纬校准方法模块9。 步骤如下(1) 数据获取，由在嵌入式PC104+计算机中幵发的通信与任务调度模块完成，它 包含太阳罗盘接口任务、IMU接口任务及高速激光雷达系统接口任务；太阳罗盘接口任务 通过CAN通信访问智能相机，包括设置智能太阳识别与处理方法模块所需的参数，最终 获取智能太阳识别与处理方法模块得到的太阳入射角W,W 、曰出吋间^(。)等；IMU接口 任务通过RS232通信访问IMU，获得三轴加速度、三轴角速度;高速激光雷达系 统接口任务通过PCL总线通信访问激光雷达，获得测量的深度^、光强々数据流；(2) 系统初始化，嵌入式PC104+计算机上电后系统初始化程序工作，对智能相 机、IMU、激光雷达进行初始设置，并启动嵌入式PC104+计算机中月球车自主位姿确定 任务模块及嵌入式TMS320计算机中智能太阳识别与处理方法模块；(3) 嵌入式PC104+计算机中月球车位姿确定任务模块包括月球垂直陀螺方法模块、 智能太阳识别与处理方法模块、初始位姿校准方法模块、高精度太阳罗盘导航方法模块、 位姿补偿方法模块、基于地图重建与即吋定位(SLAM)月球车速度估计方法模块、具有 速度修正的月球车位姿确定方法模块、基于太阳连测的经练校准方法模块，各处理方法之 间并行运行，共同完成月球车绝对位姿、相对位姿、平动速度确定；在广角太阳相机内置 的嵌入式系统TMS320计算机中包含的模块有智能太阳识别与处理方法模块；下面对各方法模块实现方法及流程进行描述由智能太阳识别与处理方法模块识别曰出或太阳并判断太阳升起吋间Q及太阳入射角&)、太阳方向角^V);该模块首先应对广角镜头进行校准，然后拍摄天空图像，提取太阳圆盘，按圆度、面积、顏色范围来判别由图像提取得到的简单曲线是否为太阳；并计算 太阳圆盘中心，根据计算太阳圆盘中心像点坐标求太阳入射角《w及太阳方向角Pw ;由月球垂直陀螺方法模块由系统获得的月球车三轴加速度c^)、角速度《(4)为输入，经加速度《")反馈校正四元数，进行四元数计算迭代得月球车俯仰角"w与横滚角y^); 由太阳入射角《4)及太阳方向角PW及月球车俯仰角与横滚角计算太阳高度角 Z")及月球车前向与太阳的夹角《w ;由初始位姿校准模块根据太阳高度角及月球车前向与太阳的夹角《t)通过高精度太阳罗盘导航模块及基于太阳连测的经纬校准模块计算月球车经纬度义W， ,)及太阳方位角<9(4)，从而计算月球车航向角OV);或者，由曰出吋按("-C)w,计算角度再换算为经度；其中。叫分别是Si皿smedii中央湾吋间、月球自转角速度；由高精度太阳罗盘导航方法模块应用于月球车初始位姿校准模块及基于太阳连测的 经纟韦校准方法模块；它们的输入都是太阳高度角Z(w及观测吋间；其中包含了由观测吋间计算任一吋刻的太阳及月赤道与黄道的升交点经度过程；二者不同在于高精度太阳罗盘导 航方法模块是一次观测，基于太阳连测的经纬校准方法模块是多次观测即连测的过程；但后者要为前者前供月球车经度，从而可通过前者连续计算太阳方位角，高精度太阳罗盘导航方法模块以校准的经度及实吋测量的太阳高度角zw及观测吋间连续计算太阳方位角， 从而获得月球车航向角O(w;由基于地图重建与即吋定位(SLAM)月球车速度估计方法模块根据测量的三轴加速 度 4)、三轴角速度化州及由高程图的数据即粒子通过粒子滤波得到月球车的速度^);由基于速度修正的月球车位姿确定方法模块输入为月球车速度^)、月球车三轴加速度"(4)、角速度,)、月球车初始经纬度/^)Aw及月球车航向角a^)，输出是连续的月球车连续速度^+,)、经纬度义(一^。(一及航向角 +,)。所述的智能太阳识别与处理方法模块的任务运行于广角太阳相机嵌入式系统当中；该方法模块完成两部分任务即，太阳识别及太阳单位矢量计算与曰出识别及曰出吋间计算， 该方法模块的输出结果为曰出吋间、太阳单位矢量；参见图3鱼眼镜头成像示意图，所述的广角太阳相机采用鱼目镜头，其模型为公式吵 (1) 其中OcXcYcZc为相机坐标系，r为图像点P到鱼眼图像中心Oc的距离，/为鱼眼镜头的焦距，0为入射光线与鱼眼镜头光轴的夹角，即测量高度角，^为像点在坐标系 OcXcYcZc的方向角。则对应于入射角为(^^)的空间点《的图像点P在摄像机坐标系下 的坐标O,y)满足=柳义sin伊(2)将(1)带入(2)得义(3)由于镜头加工工艺和其他因素，鱼眼镜头通常很难严格满足成像模型(l)，利用三次多 项式来拟合该鱼眼镜头的成像模型，即r = /c々+ /c203则对应的成像变换为=(^6 + a:26 3)义(4)(5)畸变校正模型按式(6)进行。=0^<9 + "2(93)成像过程用6个参数来本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于全功能太阳罗盘的月球车位姿自主确定方法，其特征在于，它是以观测设备、嵌入式ＰＣ１０４＋计算机及内置于广角太阳相机（１．１）的嵌入式ＴＭＳ３２０计算机为基础完成的，其中与嵌入式ＰＣ１０４＋计算机集成的观测设备有：广角太阳相机（１．１）、惯性单元－以下称为ＩＭＵ（１．２）、时钟（１．３）及高速激光雷达（１．４）；在广角太阳相机（１．１）内置的嵌入式ＴＭＳ３２０计算机中包含的模块有智能太阳识别与处理方法模块（２）；在ＰＣ１０４＋计算机中包括的模块有：通信与任务调度模块（１０）、月球车自主位姿确定任务模块；月球车自主位姿确定任务模块包含：月球垂直陀螺方法模块（３）、初始位姿校准方法模块（４）、高精度太阳罗盘导航方法模块（５）、位姿补偿方法模块（６）、基于地图重建与即时定位（ＳＬＡＭ）月球车速度估计方法模块（７）、具有速度修正的月球车位姿确定方法模块（８）、基于太阳连测的经纬校准方法模块（９）；　基于全功能太阳罗盘的月球车位姿自主确定方法步骤如下：　（１）数据获取，由在嵌入式ＰＣ１０４＋计算机中开发的通信与任务调度模块完成，它包含太阳罗盘接口任务、ＩＭＵ接口任务及高速激光雷达系统接口任务；太阳罗盘接口任务通过ＣＡＮ通信访问智能相机，包括设置智能太阳识别与处理方法模块所需的参数，最终获取智能太阳识别与处理方法模块得到的太阳入射角｛θ，φ｝、日出时间ｔ↓［ｓ（０）］等；ＩＭＵ接口任务通过ＲＳ２３２通信访问ＩＭＵ，获得三轴加速度ａ↓［ｓ（ｋ）］、三轴角速度ω↓［ｓ（ｋ）］；高速激光雷达系统接口任务通过ＰＣＬ总线通信访问激光雷达，获得测量的深度ｈ↓［ｉｊ］、光强Ｉ↓［ｉｊ］数据流；　（２）系统初始化，嵌入式ＰＣ１０４＋计算机上电后系统初始化程序工作，对智能相机、ＩＭＵ、激光雷达进行初始设置，并启动嵌入式ＰＣ１０４＋计算机中月球车自主位姿确定任务模块及嵌入式ＴＭＳ３２０计算机中智能太阳识别与处理方法模块；　（３）嵌入式ＰＣ１０４＋计算机中月球车位姿确定任务模块包括：月球垂直陀螺方法模块、智能太阳识别与处理方法模块、初始位姿校准方法模块、高精度太阳罗盘导航方法模块、位姿补偿方法模块、基于地图重建与即时定位（ＳＬＡＭ）月球车速度估计方法模块、具有速度修正的月球车位姿确定方法模块、基于太阳连测的经纬校准方法模块，各处理方法之间并行运行，共同完成月球车绝对位姿、相对位姿、平动速度确定；在广角太阳相机（１．１）内置的嵌入式系统ＴＭＳ３２...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：居鹤华，裴福俊，李秀智，王亮，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]