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1、碩士學(xué)位論文火星表面協(xié)同探測(cè)視覺/慣性組合導(dǎo)航方法研究ResearchonVisual-InertialNavigationMethodforCooperativeMarsSurfaceExploration徐英夫哈爾濱工業(yè)大學(xué)2018年6月國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：V249.3學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書分類號(hào)：629.7密級(jí)：公開工學(xué)碩士學(xué)位論文火星表面協(xié)同探測(cè)視覺/慣性組合導(dǎo)航方法研究碩士研究生：徐英夫?qū)煟汗^峰教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)碩士學(xué)科：航空宇航科學(xué)與技術(shù)所在單位：航天學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIn
2、dex:V249.3U.D.C.:629.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringResearchonVisual-InertialNavigationMethodforCooperativeMarsSurfaceExplorationCandidate：YingfuXuSupervisor：Prof.JifengGuoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalSciencean
3、dTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文摘要自主導(dǎo)航技術(shù)是火星探索活動(dòng)的必備技術(shù)。對(duì)于火星表面探索，由于缺乏導(dǎo)航衛(wèi)星和先驗(yàn)地圖信息提供的全局導(dǎo)航坐標(biāo)系，火星表面巡視器(MarsRover)往往采用視覺導(dǎo)航方法，利用自身的局部坐標(biāo)系進(jìn)行導(dǎo)航。2015年美國(guó)宇航局提出利用火星直升機(jī)(MarsHelicopter)與火星車
4、協(xié)同探索火星表面，機(jī)動(dòng)靈活的火星直升機(jī)有望成為火星車的“天眼”，有效擴(kuò)大探測(cè)區(qū)域，提高探測(cè)效率。但是火星表面稀薄的大氣層嚴(yán)重限制了火星直升機(jī)的起飛重量，這就意味著火星直升機(jī)無法搭載重量和功耗可觀的導(dǎo)航傳感器，相比于火星車，火星直升機(jī)需要更加輕量化的位姿估計(jì)系統(tǒng)。除此以外，對(duì)協(xié)同探測(cè)的向往無疑是火星直升機(jī)誕生的一大推動(dòng)力，統(tǒng)一各個(gè)探測(cè)器的導(dǎo)航坐標(biāo)系以實(shí)現(xiàn)全局的任務(wù)和路徑規(guī)劃，是實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同的必備技術(shù)。近年來，低成本的小型慣性測(cè)量單元(IMU)的測(cè)量精度逐步提高，視覺/慣性組合導(dǎo)航成為了一大研究熱點(diǎn)，通過融合視覺觀測(cè)信息和慣性測(cè)量信息，位姿估計(jì)可以獲得
5、更高的精度和魯棒性。單目相機(jī)和IMU組成的單目視覺/慣性系統(tǒng)相比于雙目相機(jī)以及激光雷達(dá)等傳感器具備重量、體積和功耗方面的優(yōu)勢(shì)，非常適合承載能力有限的飛行平臺(tái)使用；隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，相似圖像識(shí)別的準(zhǔn)確度提高，為利用視覺信息進(jìn)行地點(diǎn)識(shí)別、重定位和視覺地圖的融合提供了條件，這就使得協(xié)同工作的多個(gè)火星表面探測(cè)器能夠通過處理視覺圖像，統(tǒng)一各自的導(dǎo)航坐標(biāo)系。本文面向未來的火星表面探測(cè)活動(dòng)，對(duì)協(xié)同探測(cè)單目視覺/慣性組合導(dǎo)航方法進(jìn)行了研究，并討論了將其應(yīng)用于多架火星直升機(jī)的空中協(xié)同探測(cè)任務(wù)的可行性。按照從理論研究到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的順序，本文首先研究了視覺/慣性組
6、合導(dǎo)航涉及的基礎(chǔ)知識(shí)理論；然后研究了協(xié)同探測(cè)組合導(dǎo)航方法的兩大核心——滑動(dòng)窗口單目視覺/慣性里程計(jì)和基于視覺特征的回環(huán)檢測(cè)、地圖融合、全局位姿圖優(yōu)化方法；最后通過數(shù)據(jù)集測(cè)試、實(shí)物實(shí)驗(yàn)和仿真場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)三種方式驗(yàn)證并分析了協(xié)同探測(cè)組合導(dǎo)航方法的性能。關(guān)鍵詞：視覺/慣性系統(tǒng)，同時(shí)定位與制圖，非線性優(yōu)化，重定位，地圖融合I哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractAutonomousnavigationisanessentialtechnologyforMarsexploration.ForMarssurfaceexploration,duetothel
7、ackofglobalnavigationcoordinatesprovidedbynavigationsatellitesandpriormapinformation,MarsRoversoftenusevisualnavigationmethodstonavigateinitsownlocalcoordinatesystem.In2015,NASAproposedtousetheMarsHelicoptertoexplorethesurfaceofMars.TheMarshelicopterisexpectedtobecomethe“eyein
8、thesky”andeffectivelyexpandtheexplorationareaandimproveeffici
