月球车视觉导航方法研究

1、月球车视觉导航方法研究目录一、概述二、月球车视觉导航方案分析三、基于单目视觉的月球车导航方法四、基于立体视觉的月球车导航方法五、总结概述1、研究背景 月球探测空间技术发展空间资源开发“重返月球” 战略2、我国探月计划 根据国家的整体发展战略，我国的探月计划分为“绕”、“落”、“回”三个发展阶段。2007年嫦娥一号绕月飞行，进行全球性、整体性和综合性探测（环境、地貌、地形、地质构造、物理场等）实现航天器的软着陆，月表环境监测、岩石分析、巡视勘察等，为月球基地选址提供数据支持月球车分析取样，关键性样品返回地球，为载人登月，基地选址提供数据资料绕绕 落落 回回3、国内外月球车/行星车研究现状 国外研

2、究现状1973年月球车2号1970年月球车1号月球流浪者1997年索杰纳火星车2003年雅典娜火星车 我国月球车现状哈工大月球车样车上海八院月球车样车航天五院月球车样车“玉兔号”月球车4、月球车导航方法发展概况 导航是通过测量与运动体位置有关的参数来实现对运动体的定位，并从出发点沿预定的路线，安全、准确、经济地将运动体引导到目的地的技术。导航技术综合性很强，任何导航系统都涉及到不断更新的导航信息的获取、传输、处理、控制、与显示等。 惯性导航 天文导航 航位推算法 无线电定位法 地形辅助导航 远点地表法 外部摄像机观测法视觉导航方案分析 单目视觉的导航1、天文导航2、着陆器单目视觉导航3、远点地

3、标法导航 立体视觉的导航1、着陆器立体视觉2、地形匹配3、视觉测量玉兔单目视觉导航1、天文导航 利用车载摄像机观测多个天体，根据仰角将自身确定在若干个同高度圆的交点上。如果只有一个天体，可以通过在不同时间的观测来确定自身位置。若有两个天体，月球车的位置为两个等高度圆的两个交点之一，具体选择根据当时的大致位置确定。有三个或以上天体时，可以唯一确定通常可用的天体包括太阳和地球。 2、着陆器单目视觉导航 利用各个特征光点的相对位置关系来求解特征光点的世界坐标，进而求解月球车的位置和姿态。其优点与立体视觉方法相同，并且较立体视觉增加了系统可靠性。缺点在于这种方法随距离增大精度下降，并且特征光点无法可靠

4、区分对于精度的影响很大，也只适用于距离着陆器比较近的区域。 3、远点地标方法导航原理：同一平面上的三点决定一个圆，该圆的方程可以通过这三点的坐标得到，也可以通过其中两个点的坐标以及第三个点与前两点连线的夹角来求解。当月球车在同一个位置观察到 2 个地标时，若已知这两个地标的世界坐标以及以月球车为视点看到的两个地标间的夹角，则可以确定一个圆。若有至少三个地标，则可以得到至少 3 个圆，理论上，这些圆的公共交点即为月球车的位置 利用车载摄像机来进行自身定位，因而可以在距离着陆器很远的距离内使用，但是不能确定姿态。这种方法要求至少观察到三个位置已知的地标，而这一条件并不是总能得到满足，因此应用范围受

5、到一定限制立体视觉导航1、着陆器立体视觉 在月球车的车身上安装几个特征光点，利用 CCD 光学成像敏感器测量月球车身上的特征光点。着陆器通过摄像机测得它们的投影位置，确定特征点在参考坐标系中的位置坐标。由于它们在车体坐标系中的位置是已知的，通过坐标系的转换即可求得月球车相对于着陆器的相对位置和相对姿态。2、地形匹配 地形匹配方法利用月球车周围地形图与其在全局地形图中相应部分地形图的相似性，通过将局部地形图匹配到全局地形图，来获得月球车在全局地形图中位置。 全局与局部地形匹配方法也只能用于确定月球车位置，适用范围不受着陆器的限制。3、视觉测量原理是：月球车在第一个位置拍摄两幅图像进行三维重建，获

6、得一组特征点在车体坐标系中的三维坐标。移动一小段距离之后拍摄第二帧两幅图像，跟踪这组特征点到第二帧图像，进行三维重建获得其在第二个位置上车体坐标系内的三维坐标。得到同一组景物点在前后两个车体坐标系内的三维坐标后，利用坐标变换可以获得在两个位置上车体的位置和姿态变化，达到相对导航的目的。 月球车视觉导航方案 通过上面对常用导航方法有缺点的分析，可以看到单独应用任何一种导航方法都存在着一定的局限性，不足以满足月球车导航任务的需求。导航方案连续导航连续导航定期更新航位推算：小范围、平坦区域视觉测量：地形崎岖、坡度大区域着陆器立体视觉：小范围位置地形匹配或者远点地标：大范围位置太阳敏感器确定航向立体视

7、觉导航方法 立体视觉是指利用至少两台摄像机，从多个不同位置观测景物，由三角测距原理确定景物三维信息的方法。优点：组成器件均为固定件（通常为 CCD 摄像机），可靠性非常 高；能一次捕获整个画面，视场范围大。双目视觉原理 坐标系介绍1、世界坐标系（world coordinate system ）OcXcYcZc2、像面坐标系（image coordinate system）3、摄像机坐标系(camera coordinate system)视觉测量算法 基本原理是在一个立体图对中找出特征，然后跟踪这些特征到下一个立体图对，利用这些特征在两个车体坐标系中的三维坐标关系求解出两个坐标系的变换关系，

8、从而求解出前后两个时刻的位置和姿态变化。主要包括以下步骤： (1)特征检测 (2)立体匹配 (3)特征追踪 (4)运动估计地形匹配算法 地形匹配方法主要用于漫游车位置的定期更新。由于来源和拍摄距离等因素的不同，用于构建全局和局部地形图的二维图像的尺度通常不相同的，这为利用二维图像进行匹配带来的困难。全局与局部二维图像的尺度不同，但重建后的三维地形图的尺度相同，考虑到实际上的偏差，二者的尺度是接近的，这为地形匹配方法提供了基础。主要步骤：(1)检测高点(2)计算候选点(3)选择候选点组合(4)确定变换关系单目视觉导航方法 基于立体视觉的导航方式是目前采用得较多的导航方式，但是在立体视觉系统因摄像

9、机失效而只有一台摄像机可用时，单目视觉就成为唯一的可行方式。有研究表明，在同样数目相机和同等强度噪音干扰情况下，各单机分别采用单目算法所得结果的平均值，较之于多机算法求得的结果，精度要高许多。单目视觉原理 A、B、C 和 D 是矩形配置的四个光点，光点通过摄像机镜头中心 F 投射到成像平面上，像点分别为 a、b、c 和 d。按以下步骤计算四个光点的坐标：(1)检测四个像点 a、b、c 和 d的像素坐标； (2)计算出各个像点在摄像机坐标系内的坐标； (3)在摄像机坐标系内计算出射线 FA、FB、 FC 和 FD 的方程； (4) 光点 A、B、C 和 D 分别在射线 FA、FB、 FC 和 FD 上，并且彼此间的几何位置关系 已知，可以唯一确定光点在摄像机坐标系 内的坐标； (5)计算出各光点在世界坐标系内的坐标； (6)利用各光点在车体上的分布关系计算出 车体中心在世界坐标系内的位置以及 车体姿态。总结 在月球车视觉导航方法研究中，以下两个方面是值得考虑的研究方向： 1、视觉测量方法是一种很有潜力的月球车连续导航方法，它可以在不需要增加设备的情况下，给出精度很高的月球车位置和姿态变化量。视觉测量方法的精度主要取决于特征匹配和跟踪的准确性，因