月球車視覺導(dǎo)航方法研究

1、月球車視覺導(dǎo)航方法研究目錄一、概述二、月球車視覺導(dǎo)航方案分析三、基于單目視覺的月球車導(dǎo)航方法四、基于立體視覺的月球車導(dǎo)航方法五、總結(jié)概述1、研究背景 月球探測(cè)空間技術(shù)發(fā)展空間資源開發(fā)“重返月球” 戰(zhàn)略2、我國(guó)探月計(jì)劃 根據(jù)國(guó)家的整體發(fā)展戰(zhàn)略，我國(guó)的探月計(jì)劃分為“繞”、“落”、“回”三個(gè)發(fā)展階段。2007年嫦娥一號(hào)繞月飛行，進(jìn)行全球性、整體性和綜合性探測(cè)（環(huán)境、地貌、地形、地質(zhì)構(gòu)造、物理場(chǎng)等）實(shí)現(xiàn)航天器的軟著陸，月表環(huán)境監(jiān)測(cè)、巖石分析、巡視勘察等，為月球基地選址提供數(shù)據(jù)支持月球車分析取樣，關(guān)鍵性樣品返回地球，為載人登月，基地選址提供數(shù)據(jù)資料繞繞 落落 回回3、國(guó)內(nèi)外月球車/行星車研究現(xiàn)狀 國(guó)外研

2、究現(xiàn)狀1973年月球車2號(hào)1970年月球車1號(hào)月球流浪者1997年索杰納火星車2003年雅典娜火星車 我國(guó)月球車現(xiàn)狀哈工大月球車樣車上海八院月球車樣車航天五院月球車樣車“玉兔號(hào)”月球車4、月球車導(dǎo)航方法發(fā)展概況 導(dǎo)航是通過測(cè)量與運(yùn)動(dòng)體位置有關(guān)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)體的定位，并從出發(fā)點(diǎn)沿預(yù)定的路線，安全、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地將運(yùn)動(dòng)體引導(dǎo)到目的地的技術(shù)。導(dǎo)航技術(shù)綜合性很強(qiáng)，任何導(dǎo)航系統(tǒng)都涉及到不斷更新的導(dǎo)航信息的獲取、傳輸、處理、控制、與顯示等。 慣性導(dǎo)航 天文導(dǎo)航 航位推算法 無線電定位法 地形輔助導(dǎo)航 遠(yuǎn)點(diǎn)地表法 外部攝像機(jī)觀測(cè)法視覺導(dǎo)航方案分析 單目視覺的導(dǎo)航1、天文導(dǎo)航2、著陸器單目視覺導(dǎo)航3、遠(yuǎn)點(diǎn)地

3、標(biāo)法導(dǎo)航 立體視覺的導(dǎo)航1、著陸器立體視覺2、地形匹配3、視覺測(cè)量玉兔單目視覺導(dǎo)航1、天文導(dǎo)航 利用車載攝像機(jī)觀測(cè)多個(gè)天體，根據(jù)仰角將自身確定在若干個(gè)同高度圓的交點(diǎn)上。如果只有一個(gè)天體，可以通過在不同時(shí)間的觀測(cè)來確定自身位置。若有兩個(gè)天體，月球車的位置為兩個(gè)等高度圓的兩個(gè)交點(diǎn)之一，具體選擇根據(jù)當(dāng)時(shí)的大致位置確定。有三個(gè)或以上天體時(shí)，可以唯一確定通常可用的天體包括太陽和地球。 2、著陸器單目視覺導(dǎo)航 利用各個(gè)特征光點(diǎn)的相對(duì)位置關(guān)系來求解特征光點(diǎn)的世界坐標(biāo)，進(jìn)而求解月球車的位置和姿態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)與立體視覺方法相同，并且較立體視覺增加了系統(tǒng)可靠性。缺點(diǎn)在于這種方法隨距離增大精度下降，并且特征光點(diǎn)無法可靠

4、區(qū)分對(duì)于精度的影響很大，也只適用于距離著陸器比較近的區(qū)域。 3、遠(yuǎn)點(diǎn)地標(biāo)方法導(dǎo)航原理：同一平面上的三點(diǎn)決定一個(gè)圓，該圓的方程可以通過這三點(diǎn)的坐標(biāo)得到，也可以通過其中兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)以及第三個(gè)點(diǎn)與前兩點(diǎn)連線的夾角來求解。當(dāng)月球車在同一個(gè)位置觀察到 2 個(gè)地標(biāo)時(shí)，若已知這兩個(gè)地標(biāo)的世界坐標(biāo)以及以月球車為視點(diǎn)看到的兩個(gè)地標(biāo)間的夾角，則可以確定一個(gè)圓。若有至少三個(gè)地標(biāo)，則可以得到至少 3 個(gè)圓，理論上，這些圓的公共交點(diǎn)即為月球車的位置 利用車載攝像機(jī)來進(jìn)行自身定位，因而可以在距離著陸器很遠(yuǎn)的距離內(nèi)使用，但是不能確定姿態(tài)。這種方法要求至少觀察到三個(gè)位置已知的地標(biāo)，而這一條件并不是總能得到滿足，因此應(yīng)用范圍受

5、到一定限制立體視覺導(dǎo)航1、著陸器立體視覺 在月球車的車身上安裝幾個(gè)特征光點(diǎn)，利用 CCD 光學(xué)成像敏感器測(cè)量月球車身上的特征光點(diǎn)。著陸器通過攝像機(jī)測(cè)得它們的投影位置，確定特征點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。由于它們?cè)谲圀w坐標(biāo)系中的位置是已知的，通過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換即可求得月球車相對(duì)于著陸器的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。2、地形匹配 地形匹配方法利用月球車周圍地形圖與其在全局地形圖中相應(yīng)部分地形圖的相似性，通過將局部地形圖匹配到全局地形圖，來獲得月球車在全局地形圖中位置。 全局與局部地形匹配方法也只能用于確定月球車位置，適用范圍不受著陸器的限制。3、視覺測(cè)量原理是：月球車在第一個(gè)位置拍攝兩幅圖像進(jìn)行三維重建，獲

6、得一組特征點(diǎn)在車體坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。移動(dòng)一小段距離之后拍攝第二幀兩幅圖像，跟蹤這組特征點(diǎn)到第二幀圖像，進(jìn)行三維重建獲得其在第二個(gè)位置上車體坐標(biāo)系內(nèi)的三維坐標(biāo)。得到同一組景物點(diǎn)在前后兩個(gè)車體坐標(biāo)系內(nèi)的三維坐標(biāo)后，利用坐標(biāo)變換可以獲得在兩個(gè)位置上車體的位置和姿態(tài)變化，達(dá)到相對(duì)導(dǎo)航的目的。 月球車視覺導(dǎo)航方案 通過上面對(duì)常用導(dǎo)航方法有缺點(diǎn)的分析，可以看到單獨(dú)應(yīng)用任何一種導(dǎo)航方法都存在著一定的局限性，不足以滿足月球車導(dǎo)航任務(wù)的需求。導(dǎo)航方案連續(xù)導(dǎo)航連續(xù)導(dǎo)航定期更新航位推算：小范圍、平坦區(qū)域視覺測(cè)量：地形崎嶇、坡度大區(qū)域著陸器立體視覺：小范圍位置地形匹配或者遠(yuǎn)點(diǎn)地標(biāo)：大范圍位置太陽敏感器確定航向立體視

7、覺導(dǎo)航方法 立體視覺是指利用至少兩臺(tái)攝像機(jī)，從多個(gè)不同位置觀測(cè)景物，由三角測(cè)距原理確定景物三維信息的方法。優(yōu)點(diǎn)：組成器件均為固定件（通常為 CCD 攝像機(jī)），可靠性非常 高；能一次捕獲整個(gè)畫面，視場(chǎng)范圍大。雙目視覺原理 坐標(biāo)系介紹1、世界坐標(biāo)系（world coordinate system ）OcXcYcZc2、像面坐標(biāo)系（image coordinate system）3、攝像機(jī)坐標(biāo)系(camera coordinate system)視覺測(cè)量算法 基本原理是在一個(gè)立體圖對(duì)中找出特征，然后跟蹤這些特征到下一個(gè)立體圖對(duì)，利用這些特征在兩個(gè)車體坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)關(guān)系求解出兩個(gè)坐標(biāo)系的變換關(guān)系，

8、從而求解出前后兩個(gè)時(shí)刻的位置和姿態(tài)變化。主要包括以下步驟： (1)特征檢測(cè) (2)立體匹配 (3)特征追蹤 (4)運(yùn)動(dòng)估計(jì)地形匹配算法 地形匹配方法主要用于漫游車位置的定期更新。由于來源和拍攝距離等因素的不同，用于構(gòu)建全局和局部地形圖的二維圖像的尺度通常不相同的，這為利用二維圖像進(jìn)行匹配帶來的困難。全局與局部二維圖像的尺度不同，但重建后的三維地形圖的尺度相同，考慮到實(shí)際上的偏差，二者的尺度是接近的，這為地形匹配方法提供了基礎(chǔ)。主要步驟：(1)檢測(cè)高點(diǎn)(2)計(jì)算候選點(diǎn)(3)選擇候選點(diǎn)組合(4)確定變換關(guān)系單目視覺導(dǎo)航方法 基于立體視覺的導(dǎo)航方式是目前采用得較多的導(dǎo)航方式，但是在立體視覺系統(tǒng)因攝像

9、機(jī)失效而只有一臺(tái)攝像機(jī)可用時(shí)，單目視覺就成為唯一的可行方式。有研究表明，在同樣數(shù)目相機(jī)和同等強(qiáng)度噪音干擾情況下，各單機(jī)分別采用單目算法所得結(jié)果的平均值，較之于多機(jī)算法求得的結(jié)果，精度要高許多。單目視覺原理 A、B、C 和 D 是矩形配置的四個(gè)光點(diǎn)，光點(diǎn)通過攝像機(jī)鏡頭中心 F 投射到成像平面上，像點(diǎn)分別為 a、b、c 和 d。按以下步驟計(jì)算四個(gè)光點(diǎn)的坐標(biāo)：(1)檢測(cè)四個(gè)像點(diǎn) a、b、c 和 d的像素坐標(biāo)； (2)計(jì)算出各個(gè)像點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)； (3)在攝像機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)計(jì)算出射線 FA、FB、 FC 和 FD 的方程； (4) 光點(diǎn) A、B、C 和 D 分別在射線 FA、FB、 FC 和 FD 上，并且彼此間的幾何位置關(guān)系 已知，可以唯一確定光點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系 內(nèi)的坐標(biāo)； (5)計(jì)算出各光點(diǎn)在世界坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)； (6)利用各光點(diǎn)在車體上的分布關(guān)系計(jì)算出 車體中心在世界坐標(biāo)系內(nèi)的位置以及 車體姿態(tài)。總結(jié) 在月球車視覺導(dǎo)航方法研究中，以下兩個(gè)方面是值得考慮的研究方向： 1、視覺測(cè)量方法是一種很有潛力的月球車連續(xù)導(dǎo)航方法，它可以在不需要增加設(shè)備的情況下，給出精度很高的月球車位置和姿態(tài)變化量。視覺測(cè)量方法的精度主要取決于特征匹配和跟蹤的準(zhǔn)確性，因