[发明专利]基于SLAM技术的航天器相对自主导航系统

权利要求书

1.一种基于SLAM技术的航天器相对自主导航系统，其特征在于，包括：同步定位与建图部分、目标位姿估计部分、航天器自主导航规划部分和地面仿真系统；同步定位与建图部分包括激光雷达和惯性测量单位，激光雷达采集空间环境的点云数据，惯性测量单位采集航天器自身的运动数据，通过融合传感器数据，对航天器进行定位，并构建全局地图；目标位姿估计部分对激光雷达获取的点云进行特征点提取、目标识别、位姿估计，并对目标未来时刻的状态进行预测；航天器自主导航规划部分构建航天器在空间环境中进行相对自主导航的坐标系，结合对目标的位姿估计和预测的姿态信息，针对目标任务问题进行数学描述，规划航天器移动到目标的最优路径并在自主移动过程中实时避障，最后超近距离控制目标；地面仿真系统搭建多自由度的气浮台模拟服务航天器，并模拟目标的运动，然后通过实验验证自主导航路径规划的算法；

计算机融合激光雷达与惯性测量单元的数据，进行定位与构建全局地图，具体包括如下步骤：(a)传感器信息读取，并进行预处理；(b)激光雷达里程计，估算相邻点云的运动以及局部地图的样子；(c)后端非线性优化；后端接受不同时刻激光雷达的点云以及回环检测的信息，对它们进行优化，得到全局一致的轨迹和地图；(d)回环检测；回环检测判断航天器是否到达过先前的位置，如果检测到回环，它会把信息提供给后端进行处理；(e)建图；根据估计的轨迹，建立与任务要求对应的地图。

2.如权利要求1所述的基于SLAM技术的航天器相对自主导航系统，其特征在于，选用三维激光雷达Velodyne-16采集空间环境的信息，惯性测量单元STIM300采集航天器自身的运动信息。

3.如权利要求1所述的基于SLAM技术的航天器相对自主导航系统，其特征在于，位姿估计具体包括如下步骤：(1)特征提取；通过将点云中离散的点连接起来，建立离散点间的拓扑关系以及实现基于邻域关系的快速查找；计算法线变化和曲率变化，提取特征边界点，再利用最小梯度轮廓线，形成封闭的边界；(2)识别目标，通过基于随机抽样一致性的算法，进行点云分割和初配准；(3)计算非合作目标和航天器的相对位姿，根据识别出的目标点云和环境点云进行ICP算法匹配来计算相对位置和姿态。

4.如权利要求1所述的基于SLAM技术的航天器相对自主导航系统，其特征在于，在地面上搭建全物理仿真实验平台，由3m*3m大理石平台和模拟星组成；其中，模拟星包括微型计算机、传感器、电源模块、执行机构和气浮部件；通过该气浮台模拟航天器在空间的运动特性，通过实验验证算法。