[发明专利]基于全功能太阳罗盘的月球车位姿自主确定方法

摘要

本发明是一种用于深空探测科学及地球观测领域的基于全功能太阳罗盘的月球车位姿自主确定方法。该方法是以观测设备、嵌入式PC104+计算机及内置于广角太阳相机的嵌入式TMS320计算机为基础完成的。本发明利用在嵌入式系统中的广角太阳相机、IMU及高速激光雷达接口程序获取数据；并将月球车位姿确定任务交与系统中的智能太阳识别与处理、月球垂直陀螺、初始位姿校准、高精度太阳罗盘导航、位姿补偿方法、基于地图重建与即时定位(SLAM)月球车速度估计、具有速度修正的月球车位姿确定、基于太阳连测的经纬校准的各方法模块并行运行，整个系统中所执行的处理方法共同完成了月球车位姿的确定。该方法为月球车提供适应月球环境的自主位姿确定提供了高可靠性的方案。

主权项

1、基于全功能太阳罗盘的月球车位姿自主确定方法，其特征在于，它是以观测设备、嵌入式PC104+计算机及内置于广角太阳相机(1.1)的嵌入式TMS320计算机为基础完成的，其中与嵌入式PC104+计算机集成的观测设备有：广角太阳相机(1.1)、惯性单元——以下称为IMU(1.2)、时钟(1.3)及高速激光雷达(1.4)；在广角太阳相机(1.1)内置的嵌入式TMS320计算机中包含的模块有智能太阳识别与处理方法模块(2)；在PC104+计算机中包括的模块有：通信与任务调度模块(10)、月球车自主位姿确定任务模块；月球车自主位姿确定任务模块包含：月球垂直陀螺方法模块(3)、初始位姿校准方法模块(4)、高精度太阳罗盘导航方法模块(5)、位姿补偿方法模块(6)、基于地图重建与即时定位(SLAM)月球车速度估计方法模块(7)、具有速度修正的月球车位姿确定方法模块(8)、基于太阳连测的经纬校准方法模块(9)；基于全功能太阳罗盘的月球车位姿自主确定方法步骤如下：(1)数据获取，由在嵌入式PC104+计算机中开发的通信与任务调度模块完成，它包含太阳罗盘接口任务、IMU接口任务及高速激光雷达系统接口任务；太阳罗盘接口任务通过CAN通信访问智能相机，包括设置智能太阳识别与处理方法模块所需的参数，最终获取智能太阳识别与处理方法模块得到的太阳入射角日出时间t_s(0)等；IMU接口任务通过RS232通信访问IMU，获得三轴加速度a_s(k)、三轴角速度ω_s(k)；高速激光雷达系统接口任务通过PCL总线通信访问激光雷达，获得测量的深度h_ij、光强I_ij数据流；(2)系统初始化，嵌入式PC104+计算机上电后系统初始化程序工作，对智能相机、IMU、激光雷达进行初始设置，并启动嵌入式PC104+计算机中月球车自主位姿确定任务模块及嵌入式TMS320计算机中智能太阳识别与处理方法模块；(3)嵌入式PC104+计算机中月球车位姿确定任务模块包括：月球垂直陀螺方法模块、智能太阳识别与处理方法模块、初始位姿校准方法模块、高精度太阳罗盘导航方法模块、位姿补偿方法模块、基于地图重建与即时定位(SLAM)月球车速度估计方法模块、具有速度修正的月球车位姿确定方法模块、基于太阳连测的经纬校准方法模块，各处理方法之间并行运行，共同完成月球车绝对位姿、相对位姿、平动速度确定；在广角太阳相机(1.1)内置的嵌入式系统TMS320计算机中包含的模块有智能太阳识别与处理方法模块(2)；下面对各方法模块实现方法及流程进行描述：由智能太阳识别与处理方法模块识别日出或太阳并判断太阳升起时间t_s0及太阳入射角θ_(k)、太阳方向角该模块首先应对广角镜头进行校准，然后拍摄天空图像，提取太阳圆盘，按圆度、面积、顔色范围来判别由图像提取得到的简单曲线是否为太阳；并计算太阳圆盘中心，根据计算太阳圆盘中心像点坐标求太阳入射角θ_(k)及太阳方向角由月球垂直陀螺方法模块由系统获得的月球车三轴加速度a_(k)、角速度ω_(k)为输入，经加速度a_(k)反馈校正四元数，进行四元数计算迭代得月球车俯仰角α_(k)与横滚角β_(k)；由太阳入射角θ_(k)及太阳方向角及月球车俯仰角α_(k)与横滚角β_(k)计算太阳高度角Z_(k)及月球车前向与太阳的夹角ξ_(k)；由初始位姿校准模块根据太阳高度角Z_(k)及月球车前向与太阳的夹角ξ_(k)通过高精度太阳罗盘导航模块及基于太阳连测的经纬校准模块计算月球车经纬度λ_(k)，δ_0(k)及太阳方位角θ_(k)，从而计算月球车航向角Φ_(k)；或者，由日出时按(t_s0-t_m)ω_l计算角度再换算为经度；其中t_m，ω_l分别是Sinus medii中央湾时间、月球自转角速度；由高精度太阳罗盘导航方法模块应用于月球车初始位姿校准模块及基于太阳连测的经纬校准方法模块；它们的输入都是太阳高度角Z_(k)及观测时间；其中包含了由观测时间计算任一时刻的太阳及月赤道与黄道的升交点经度过程；二者不同在于高精度太阳罗盘导航方法模块是一次观测，基于太阳连测的经纬校准方法模块是多次观测即连测的过程；但后者要为前者前供月球车经度，从而可通过前者连续计算太阳方位角，高精度太阳罗盘导航方法模块以校准的经度及实时测量的太阳高度角Z_(k)及观测时间连续计算太阳方位角，从而获得月球车航向角Φ_(k)；由基于地图重建与即时定位(SLAM)月球车速度估计方法模块根据测量的三轴加速度a_s(k)、三轴角速度ω_s(k)及由高程图的数据即粒子通过粒子滤波得到月球车的速度V_(k)；由基于速度修正的月球车位姿确定方法模块输入为月球车速度V_(k)、月球车三轴加速度a_(k)、角速度ω_(k)、月球车初始经纬度λ_(k)，δ_0(k)及月球车航向角Φ_(k)，输出是连续的月球车连续速度V_(k+i)、经纬度λ_(k+i)，δ_0(k+i)及航向角Φ_(k+i)。