[发明专利]一种月面巡视探测器的三维定姿与局部定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种月面巡视探测器三维定姿与局部定位方法，适用于月面、火星表面等复杂未知地形中探测器的自主定姿定位，或地面野外车辆的自主导航。

背景技术

月面巡视探测器是一类在月面实施巡视勘查的探测器，也称月球探测车、月球车等，也可将月面巡视探测器、行星车统称为探测车。广义上讲，月面巡视探测器是一种能够在月球表面移动，完成探测、采样、运载等任务的航天器。狭义上讲，月面巡视探测器是能适应月球环境，携带科学探测仪器在月面进行巡视探测的航天器。因此，月面巡视探测器是一类特殊的航天器，不同于传统的卫星、飞船，在着陆月面之前，月面巡视探测器是着陆器的有效载荷，着陆后是独立的、完整的移动探测器。

月面巡视探测器的定位包括全局定位和局部定位。全局定位即确定月球探测车在月表坐标系下的绝对位置。局部定位即确定月球探测车相对于导航坐标系(坐标系原点通常取着陆器着陆所在点)的位置描述。由于月面环境的特殊性，地面移动机器人和自主导航车辆采用的导航方法不适用于月面巡视探测器。如月面上无法检测到GPS信号，因此GPS无法用于月面巡视探测器的定位；利用星图识别进行天文导航的精度很低(几百米～几公里)；涉及已知环境地图和外部信息(例如雷达信标和超声波导航)的地图匹配定位和导航信标等方法也不可用，因为这些方法需要充分的环境先验知识，不适用于在未知环境中移动的月面巡视探测器。

迄今为止，国外成功发射的月球车有美国的LRV和前苏联的Lunokhod1、Lunokhod2。美国的LRV是有人驾驶的月球车，前苏联的Lunokhod1和Lunokhod2采用遥操作方式。国外成功的火星车是美国1997年的Sojourner和2004年的MER(包括Spirit和Opportunity)。此外国内外也进行了地面原理样机的研制，比较典型的有FIDO、Rocky 7、Marsokhod、Nomad等，其中除Nomad采用测距仪、倾斜仪、陀螺、惯量计和GPS等比较传统的仪器结合起来进行定位外，其他都采用了IMU、太阳敏感器和轮系编码器三类敏感器作为主要的定姿定位信息获得手段，但系统配置、定姿定位算法方面有所不同。

除以上已得到应用的技术外，近年来公开发表的文献中对月球及火星表面巡视探测器定姿定位方法的研究也比较多。

但上述已有方法存在的缺点主要体现在：(1)利用两轴加速度计输出求解倾斜角度，这在倾斜角度较大，或当地引力加速度较常规值发生较大变化时，产生的误差较大；(2)利用偏航轴陀螺测量偏航角，没有考虑由地形起伏变化导致的滚动与俯仰角度；(3)利用水平两维位置信息，或利用左右两轮运动几何关系建立与偏航姿态的关系，利用太阳敏感器输出对位置进行修正；这种方法虽然简单，适合于平坦地形，但模型误差大，不适合于复杂起伏地形；(4)为了提高定姿定位精度，选取比较多的状态量作为待估计值，如位置误差、姿态误差和惯性敏感器偏差等，建立的状态方程和测量方程比较复杂，虽然一定程度上提高了定姿和局部定位精度，但由于计算的复杂性，工程应用实现难度较大；(5)常用的航位推算方法只利用左右轮的转速计算行驶里程，没有考虑地形高度变化带来的影响，该方法在复杂地形下会导致较大误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足之处，提供一种月面巡视探测器三维定姿与局部定位方法，该方法能够获得高的定姿和定位精度，同时计算简单，工程实现容易。

本发明的技术解决方案是：一种月面巡视探测器的三维定姿与局部定位方法，其特点在于步骤如下：

(1)当月面巡视探测器处于静态时，利用三轴加速度计敏感确定滚动和俯仰角；

(2)利用太阳敏感器的输出及上述步骤(1)获得的滚动和俯仰角确定偏航角姿态；

(3)以三轴姿态和陀螺偏差作为状态量，三轴加速度计确定的滚动、俯仰角和由太阳敏感器确定的偏航角，及三个陀螺输出作为测量信息，建立状态方程和测量方程，利用扩展卡尔曼滤波估计三轴姿态和陀螺偏差；

(4)当月面巡视探测器运动时，利用由步骤(3)估计得到的陀螺偏差对陀螺输出进行补偿后，计算月面巡视探测器的姿态变化，完成陀螺姿态预估，实现姿态更新，获得由导航坐标系到本体坐标系的姿态矩阵；

(5)采集月面巡视探测器各驱动轮转速、转向轮转角、左右摇臂转角信息，利用移动子系统的正运动学关系获得探测器在本体坐标系中的位置增量；

(6)将步骤(5)获得探测器在本体坐标系中的位置增量转变导航坐标系中的位置增量，求解巡视探测器在导航坐标系三个方向上的速度和位置信息。