虛擬環(huán)境下月球車視覺導(dǎo)航技術(shù)研究.pdf

1、月球是距離地球最近的天體，在時(shí)隔數(shù)十余載后，各國又掀起了新一輪的探月高潮。隨著國家探月工程的步步推進(jìn)，月球車作為人類探月的先行者，其研究和開發(fā)的進(jìn)程快慢、功能完善與性能優(yōu)良的程度會(huì)直接影響探月工程全局的發(fā)展。由于對月球車的可靠性程度要求較高，必須對其性能反復(fù)實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)，而其工作環(huán)境的特殊性也決定了在地面上完全模擬月球真實(shí)條件的難度極高。
　　隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展，操作人員可以在計(jì)算機(jī)上模擬任何復(fù)雜的環(huán)境，建立各種仿真模型，并

2、能快速、經(jīng)濟(jì)、有效地對模型進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)。但在目前的月球車仿真系統(tǒng)中，很少融合了視覺導(dǎo)航模塊，且欠缺考慮人為因素對路徑規(guī)劃的積極影響。本文即開發(fā)了一套融合了視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和考慮了人在回路控制的月球車實(shí)時(shí)虛擬仿真平臺(tái),有效解決以上問題。
　　首先，本文為了滿足月球車仿真環(huán)境的真實(shí)感，分析了月球表面特征的特點(diǎn)，提出了建立多種月面特征的方法，并在分形月面基礎(chǔ)地形的基礎(chǔ)上，介紹了各種月面特征與平緩基礎(chǔ)月面的融合技術(shù)，并提出了一種建立參數(shù)化、

3、可重用性數(shù)字化月面的方法。
　　其次，本文提出了一種將雙目視覺與單目視覺結(jié)合的障礙物識(shí)別方法。將兩種計(jì)算機(jī)視覺方法結(jié)合，取長補(bǔ)短，相得益彰。利用單目視覺完成對月坑的識(shí)別與定位，通過雙目視覺判斷石塊的尺寸、方位。針對單目視覺俯仰角難以確定的問題本文提出了一種由雙目視覺修正單目視覺的方法。
　　根據(jù)月球車視覺導(dǎo)航的需要，本文提出一種宏觀規(guī)劃與細(xì)觀規(guī)劃相輔相成的路徑規(guī)劃算法?？紤]到人工勢場法在進(jìn)行多障礙物規(guī)劃時(shí)實(shí)時(shí)性較差的特點(diǎn)，本

4、文根據(jù)單目視覺識(shí)別的坑利用修正的GVD方法及Dijkstra算法規(guī)劃出一條避坑的宏觀路徑，在月球車沿宏觀路徑行走時(shí)，利用雙目視覺識(shí)別石塊、人工勢場法繞開石塊，并針對宏觀規(guī)劃和細(xì)觀規(guī)劃融合時(shí)出現(xiàn)的干涉問題進(jìn)行修正。在此基礎(chǔ)之上，本文提出一種考慮月球車行為能力的路徑規(guī)劃。即在月球車進(jìn)行復(fù)合視覺判斷時(shí)，將尺寸較小的月坑和石塊忽略，使月球車在許可能力范圍之內(nèi)，盡可能選擇較短的路徑，節(jié)省能量。
　　最后，本文提出一種在月球車路徑規(guī)劃中引入人

5、類的規(guī)劃和決策的導(dǎo)航方法，將機(jī)器在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)勢和人類的經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)向結(jié)合為一，二者相得益彰，使月球車行駛在安全性的基礎(chǔ)上更趨于快速和合理。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種利用路徑綜合指標(biāo)函數(shù)來判斷月球車規(guī)劃路徑的質(zhì)量，并對人在回路的路徑規(guī)劃加以評估。
　　實(shí)踐證明，本文所提出并實(shí)現(xiàn)的月球車仿真系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行良好，具有較高的真實(shí)感和沉浸感。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)證明了數(shù)字化月面與真實(shí)試驗(yàn)場地的高相似性，自主導(dǎo)航技術(shù)路線的可行性與合理性以及