[发明专利]一种巡视器地面导航规划控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地面导航规划控制方案，适用于外星球表面或复杂未知环境中巡视器的地面导航规划控制。

背景技术

对于工作在行星表面或者复杂未知环境中的巡视器来说，地面导航规划控制就是在地面根据巡视器的状态，利用巡视器采集到的环境信息，对探测区域进行场景重建，由地面操作人员对巡视器的运动做出相应的规划、提出控制策略，并对控制策略进行安全性验证。

迄今为止，前苏联、美国等国家陆续向外星球发射多台巡视探测器并成功实现软着陆。

上世纪70年代前苏联先后发射了两台月球探测器，其控制模式为地面遥操作模式：巡视器上装有四部用于采集月面图像的电视摄像机，地面控制工作组以电视摄像机采集的小幅图像作为参考，完成简单的障碍识别、估计到障碍的距离、分析道路可穿越性以及巡视器运动控制等工作。由于这种控制方式完全依靠操作员对月面地形环境进行简单估计，无法实现对巡视器进行高精度导航控制。

1997年7月美国发射的探测器Sojourner成功在火星着陆。Sojourner根据地面指令执行任务，以“启动-停止”方式工作，在完成当前指令后，等待获取下一指令。地面操作员利用巡视器拍摄的图像，指定巡视器下一步运动区域内的目标位置和行驶路径。但由于火星与地球之间存在较大通讯时延，一天仅进行两次通信，因此操作员不能实时地控制巡视器。

2004年美国发射的两台火星探测器Spirit和Opportunity成功着陆。对火星车的地面导航控制模式为直接驾驶模式（directed driving mode），允许操作员指定火星车沿着由路径规划算法规划出的轨迹行驶。火星车的遥操作平台具备全景图拼接、单点三维坐标恢复、环境建模、运动仿真等功能。但同样由于受到火星与地球之间通讯时延的影响，无法实现对火星车的实时控制。

综上，现有对巡视探测器的地面导航规划控制技术存在控制精度低，实时性差，规划效率低等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种巡视器地面导航规划控制方法，该方法规划效率高，能够实现高精度、安全有效的导航规划控制，具有广泛的适用性。

如图1所示，本发明的技术解决方案具体实现步骤如下：

（1）序列图像拼接

利用巡视器上配备的一对左右相机（也称为导航相机），对巡视器周围的环境以一定的角度间隔进行环拍，得到一个导航相机图像对序列，通过在序列图像中寻找相邻两幅图像间的对应关系，将序列图像拼接成一幅宽视场的二维全景图像；

（2）三维地形恢复

（21）根据给定的导航规划控制的目标位置(x_G,y_G)，计算目标方向与巡视器前进方向的夹角ψ=atan2(y_G,x_G)，结合导航相机成像的角度，从步骤（1）得到的序列图像中选取包含目标的导航相机图像对；

（22）利用经过相机标定得到的相机内外参数，对选取出的导航相机图像对进行图像校正，完成相机图像的极线对正，对校正后的相机图像利用图像匹配算法完成立体匹配，确定左右相机图像中各像素点之间的对应关系，从而得到视差数据；

（23）利用视差数据根据双目立体视觉成像原理计算图像中各像素点在相机坐标系下的三维坐标，结合相机成像时相机与巡视器的相对关系将相机坐标系下的三维坐标转换到水平坐标系下，得到三维点云地形数据；利用滤波算法对三维点云地形数据进行自动降噪处理，再通过人工去噪的方式进行二次去噪，得到高精度三维地形数据；

（24）对三维地形数据所覆盖的范围进行分析，如果单对导航相机图像恢复出的地形不能完全覆盖目标所在区域，则根据步骤（1）得到的二维全景图像对目标周围的环境进行判断，从序列图像中选择多对导航相机图像分别完成三维地形恢复，采用数据融合方法将恢复出的多个三维点云地形数据进行拼接，得到融合后的大场景三维地形；

（3）地形可通过性分析

（31）对步骤（2）得到的三维点云地形数据做栅格化处理，将其分割为若干尺寸为l_c的栅格，对地形数据中信息缺失的区域进行数据插值，得到数字高程图，记为E={z_i,j}，其中(i,j)表示栅格所在的行数和列数，z_i,j是栅格(i,j)对应的高程值；