基于激光雷达的月球车同时定位与制图方法研究

摘要

自主导航技术是月球车在未知环境中稳定运行的根本保证，定位与制图是该技术的核心问题。月球车确定自身位置与姿态需要借助环境地图模型，同时，环境地图需要在车体位姿确定的前提下创建。因此，针对未知的月球环境，同时进行定位与制图是一个彼此相关的过程。本文以基于激光雷达的月球车同时定位与制图(SLAM)方法为主要研究内容。 论文设计并开发了一套激光雷达——月球车高速三维激光成像雷达系统。该系统由Acuity系列激光测距仪AR4000与扫描机电系统组成，具备体积小巧、结构紧凑、适合月球环境中工作等特点。首先介绍了AR4000的工作原理，给出了测量数据的校准方法，然后介绍了整套激光雷达系统的结构设计与工作原理，并提出了成像方法。室内环境建模实验的结果表明，利用该套激光雷达系统可成功建立扫描环境的基于激光点云的三维模型。 论文选用一种基于Rao-Blackwellized粒子滤波器的同时定位与制图(RBPF—SLAM)算法作为理论基础，并对传统RBPF—SLAM算法加以改进：第一，建议概率分布在月球车运动模型基础上考虑当前时刻激光雷达测量值及此前的全局地图模型，根据改进的建议分布采用了一种基于可行方向法的位姿估计方法；第二，将自适应机制引入重采样方法；第三，提出了一种基于栅格的增量式制图方法，该方法采取多个粒子共同创建一幅栅格地图的策略，以最小信息熵为依据对各个粒子创建的局部地图进行选择，以此建立工作环境的全局栅格地图。 论文最后采用三种月球车同时定位与制图方法进行仿真，一种方法直接在利用捷联惯导系统(SINS)进行定位的基础上创建地图，另外两种方法则将SINS分别与传统及改进的RBPF—SLAM方法相结合。实验结果表明，与其它方法相比，改进的RBPF—SLAM方法使得惯性定位误差随时间累积得到有效抑制，定位精度显著提高，同时成功创建了月球车工作环境的二维栅格地图。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题来源

1.2课题背景及研究意义

1.2.1课题背景

1.2.2研究意义

1.3论文主要内容及相关领域研究现状

1.3.1研究内容与方法

1.3.2行星探测车及其导航系统的国内外研究现状

1.3.3同时定位与制图算法的国内外研究现状

1.4论文的组织结构

第2章 月球车的定位与制图问题

2.1月球车自主导航方法

2.1.1基本导航方法

2.1.2组合导航方法

2.2月球车的定位与制图问题

2.2.1月球车定位问题分析

2.2.2月球车制图问题分析

2.3本章小结

第3章月球车高速三维激光成像雷达系统

3.1激光雷达及其在室外移动机器人上的应用实例

3.2激光测距仪

3.2.1 AR4000型激光测距仪的工作原理与校准算法

3.2.2 AR4000型激光测距仪的性能分析与二次校准

3.3月球车高速三维激光成像雷达系统

3.3.1结构设计与工作原理

3.3.2数据处理与坐标变换

3.3.3环境建模实验

3.4本章小节

第4章基于粒子滤波器的SLAM算法

4.1 同时定位与制图及其算法分类

4.1.1 同时定位与制图问题

4.2.2 SLAM算法分类

4.2粒子滤波器

4.2.1粒子滤波器概述

4.2.2采样-重要性重采样算法

4.3基于Rao-Blackwellized粒子滤波器的SLAM算法

4.3.1传统RBPF-SLAM算法

4.3.2传统算法的存在问题

4.4本章小节

第5章 改进的基于粒子滤波器的月球车SLAM方法

5.1月球车的运动模型与观测模型

5.1.1 月球车的运动模型

5.1.2月球车的观测模型

5.2改进的基于粒子滤波器的月球车定位方法

5.2.1 改进的建议概率分布及其计算

5.2.2改进的重采样技术

5.3改进的增量式栅格地图创建方法

5.3.1栅格地图的表示方法

5.3.2栅格地图的创建算法

5.4改进RBPF-SLAM的算法流程

5.5算法仿真实验

5.5.1实验参数设定

5.5.2实验结果及分析

5.6本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它科研成果

致谢