虚拟环境下月球车视觉导航技术研究

摘要

月球是距离地球最近的天体，在时隔数十余载后，各国又掀起了新一轮的探月高潮。随着国家探月工程的步步推进，月球车作为人类探月的先行者，其研究和开发的进程快慢、功能完善与性能优良的程度会直接影响探月工程全局的发展。由于对月球车的可靠性程度要求较高，必须对其性能反复实验和改进，而其工作环境的特殊性也决定了在地面上完全模拟月球真实条件的难度极高。
　　随着虚拟现实技术的快速发展，操作人员可以在计算机上模拟任何复杂的环境，建立各种仿真模型，并能快速、经济、有效地对模型进行仿真与实验。但在目前的月球车仿真系统中，很少融合了视觉导航模块，且欠缺考虑人为因素对路径规划的积极影响。本文即开发了一套融合了视觉导航系统和考虑了人在回路控制的月球车实时虚拟仿真平台,有效解决以上问题。
　　首先，本文为了满足月球车仿真环境的真实感，分析了月球表面特征的特点，提出了建立多种月面特征的方法，并在分形月面基础地形的基础上，介绍了各种月面特征与平缓基础月面的融合技术，并提出了一种建立参数化、可重用性数字化月面的方法。
　　其次，本文提出了一种将双目视觉与单目视觉结合的障碍物识别方法。将两种计算机视觉方法结合，取长补短，相得益彰。利用单目视觉完成对月坑的识别与定位，通过双目视觉判断石块的尺寸、方位。针对单目视觉俯仰角难以确定的问题本文提出了一种由双目视觉修正单目视觉的方法。
　　根据月球车视觉导航的需要，本文提出一种宏观规划与细观规划相辅相成的路径规划算法。考虑到人工势场法在进行多障碍物规划时实时性较差的特点，本文根据单目视觉识别的坑利用修正的GVD方法及Dijkstra算法规划出一条避坑的宏观路径，在月球车沿宏观路径行走时，利用双目视觉识别石块、人工势场法绕开石块，并针对宏观规划和细观规划融合时出现的干涉问题进行修正。在此基础之上，本文提出一种考虑月球车行为能力的路径规划。即在月球车进行复合视觉判断时，将尺寸较小的月坑和石块忽略，使月球车在许可能力范围之内，尽可能选择较短的路径，节省能量。
　　最后，本文提出一种在月球车路径规划中引入人类的规划和决策的导航方法，将机器在数据处理上的优势和人类的经验导向结合为一，二者相得益彰，使月球车行驶在安全性的基础上更趋于快速和合理。在此基础上，本文提出了一种利用路径综合指标函数来判断月球车规划路径的质量，并对人在回路的路径规划加以评估。
　　实践证明，本文所提出并实现的月球车仿真系统各模块设计合理，运行良好，具有较高的真实感和沉浸感。同时，通过实验证明了数字化月面与真实试验场地的高相似性，自主导航技术路线的可行性与合理性以及复合视觉导航技术的可实现性。本文的成果成功应用到了上海航天局的相关科研项目中，为月球车的实车研制和实验提供了有效的支持，取得了良好的评价。

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上海交通大学硕士学位论文答辩决议书

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第一章 绪论

1.1课题的背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要内容

第二章 数字化月面建模

2.1 基础月面的生成

2.2月面特征的生成

2.3基础月面上添加月面特征

第三章 基于复合视觉的月面特征识别方法

3.1 基于单目视觉的月坑识别与判断

3.2 基于双目视觉的石块识别与定位

3.3双目矫正俯仰角

3.4复合视觉月面特征识别应用实例

第四章 基于人工势场法的复合视觉路径规划方法

4.1径规基于修正划GVD（ Generali zed Voro noi Diag ram）算法的宏观路

4.2基于人工势场法的细观路径规划

4.3宏观规划与细观规划的融合

4.4考虑月球车行为能力的路径规划

第五章 基于人机协同的月球车导航方法

5.1人机协同技术

5.2月球车导航系统中的人机协同机制

5.3基于人机协同的月球车导航仿真应用实例

第六章 结论与展望

6.1本文研究工作总结

6.2未来的工作与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文