火星表面协同探测视觉_惯性组合导航方法研究

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1、硕士学位论文火星表面协同探测视觉/惯性组合导航方法研究ResearchonVisual-InertialNavigationMethodforCooperativeMarsSurfaceExploration徐英夫哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V249.3学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工学硕士学位论文火星表面协同探测视觉/惯性组合导航方法研究硕士研究生：徐英夫导师：郭继峰教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIn

2、dex:V249.3U.D.C.:629.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringResearchonVisual-InertialNavigationMethodforCooperativeMarsSurfaceExplorationCandidate：YingfuXuSupervisor：Prof.JifengGuoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalSciencean

3、dTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要自主导航技术是火星探索活动的必备技术。对于火星表面探索，由于缺乏导航卫星和先验地图信息提供的全局导航坐标系，火星表面巡视器(MarsRover)往往采用视觉导航方法，利用自身的局部坐标系进行导航。2015年美国宇航局提出利用火星直升机(MarsHelicopter)与火星车

4、协同探索火星表面，机动灵活的火星直升机有望成为火星车的“天眼”，有效扩大探测区域，提高探测效率。但是火星表面稀薄的大气层严重限制了火星直升机的起飞重量，这就意味着火星直升机无法搭载重量和功耗可观的导航传感器，相比于火星车，火星直升机需要更加轻量化的位姿估计系统。除此以外，对协同探测的向往无疑是火星直升机诞生的一大推动力，统一各个探测器的导航坐标系以实现全局的任务和路径规划，是实现高效协同的必备技术。近年来，低成本的小型惯性测量单元(IMU)的测量精度逐步提高，视觉/惯性组合导航成为了一大研究热点，通过融合视觉观测信息和惯性测量信息，位姿估计可以获得

5、更高的精度和鲁棒性。单目相机和IMU组成的单目视觉/惯性系统相比于双目相机以及激光雷达等传感器具备重量、体积和功耗方面的优势，非常适合承载能力有限的飞行平台使用；随着计算机视觉技术的发展，相似图像识别的准确度提高，为利用视觉信息进行地点识别、重定位和视觉地图的融合提供了条件，这就使得协同工作的多个火星表面探测器能够通过处理视觉图像，统一各自的导航坐标系。本文面向未来的火星表面探测活动，对协同探测单目视觉/惯性组合导航方法进行了研究，并讨论了将其应用于多架火星直升机的空中协同探测任务的可行性。按照从理论研究到实验验证的顺序，本文首先研究了视觉/惯性组

6、合导航涉及的基础知识理论；然后研究了协同探测组合导航方法的两大核心——滑动窗口单目视觉/惯性里程计和基于视觉特征的回环检测、地图融合、全局位姿图优化方法；最后通过数据集测试、实物实验和仿真场景实验三种方式验证并分析了协同探测组合导航方法的性能。关键词：视觉/惯性系统，同时定位与制图，非线性优化，重定位，地图融合I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAutonomousnavigationisanessentialtechnologyforMarsexploration.ForMarssurfaceexploration,duetothel

7、ackofglobalnavigationcoordinatesprovidedbynavigationsatellitesandpriormapinformation,MarsRoversoftenusevisualnavigationmethodstonavigateinitsownlocalcoordinatesystem.In2015,NASAproposedtousetheMarsHelicoptertoexplorethesurfaceofMars.TheMarshelicopterisexpectedtobecomethe“eyein

8、thesky”andeffectivelyexpandtheexplorationareaandimproveeffici