月球車(chē)立體視覺(jué)與視覺(jué)導(dǎo)航方法研究.pdf

1、根據(jù)我國(guó)的月球探測(cè)計(jì)劃，在利用環(huán)月衛(wèi)星對(duì)月球進(jìn)行初步的探測(cè)之后，將需要使探測(cè)器在月球表面軟著陸，并由月球車(chē)執(zhí)行較大范圍的詳細(xì)探測(cè)任務(wù)，為載人登月和建立月球基地做好準(zhǔn)備。月球車(chē)是各類(lèi)探測(cè)儀器的平臺(tái)，其安全的漫游是實(shí)現(xiàn)一切后續(xù)探測(cè)任務(wù)的基礎(chǔ)，而安全漫游的實(shí)現(xiàn)需要準(zhǔn)確的地形和自身位置信息，這就是本文視覺(jué)與導(dǎo)航系統(tǒng)的任務(wù)。
　　作為室外移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特例，月球車(chē)的視覺(jué)與導(dǎo)航技術(shù)來(lái)源于通用視覺(jué)與導(dǎo)航技術(shù)，但又具有自身的特點(diǎn)，如對(duì)可靠性要求

2、極高，希望系統(tǒng)的總質(zhì)量、能耗等盡可能小，希望視覺(jué)處理速度盡可能快等。基于上述分析，本文選擇被動(dòng)的雙目立體視覺(jué)作為視覺(jué)與導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模式，根據(jù)月球車(chē)漫游任務(wù)要求，對(duì)系統(tǒng)硬件組成和配置參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，給出了一種配置方案。
　　攝像機(jī)標(biāo)定方面，因視場(chǎng)要求采用寬視場(chǎng)鏡頭，而較大的場(chǎng)景深度要求在較遠(yuǎn)距離處保證一定的精度，因此標(biāo)定中必須采用考慮了鏡頭畸變的成像模型。現(xiàn)有的線(xiàn)性標(biāo)定方法無(wú)法考慮鏡頭畸變，而基于優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)一般比較復(fù)

3、雜。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，引入了擴(kuò)展的徑向準(zhǔn)直準(zhǔn)則，通過(guò)合理組織參數(shù)求解次序，給出了一種考慮了鏡頭畸變的迭代式優(yōu)化標(biāo)定方法。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，每一步只需用到最小二乘法，可以有效提高標(biāo)定精度，并可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展以包含更多或更少的畸變參數(shù)而不增加計(jì)算的復(fù)雜度。
　　立體匹配是立體視覺(jué)中最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟。月球車(chē)所處的月面自然地形中沒(méi)有規(guī)則景物，場(chǎng)景圖像中無(wú)紋理和少紋理區(qū)域較多，為匹配帶來(lái)了困難。本文針對(duì)月球表面地形相對(duì)平坦的特點(diǎn)

4、，在對(duì)圖對(duì)進(jìn)行立體校正以后，引入了一個(gè)適用于平面地形的視差線(xiàn)性變化約束，并以此為基礎(chǔ)給出了一種多級(jí)匹配算法。算法首先對(duì)特征明顯的點(diǎn)進(jìn)行匹配，其結(jié)果通過(guò)視差線(xiàn)性變化約束輔助后續(xù)點(diǎn)的匹配。在具體匹配中，利用最有力的灰度、x方向梯度和梯度方向?qū)崿F(xiàn)多判據(jù)匹配。算法對(duì)于多種不同類(lèi)型的地形圖像表現(xiàn)出了良好的適應(yīng)性，在精度和速度方面較傳統(tǒng)方法都有提高。
　　在攝像機(jī)標(biāo)定和立體匹配之后，可以重建得到場(chǎng)景中景物點(diǎn)的三維坐標(biāo)。為得到月球車(chē)障礙規(guī)避和路

5、徑規(guī)劃所需要的三維地形圖，對(duì)重建后的三維坐標(biāo)點(diǎn)首先去除孤立點(diǎn)，然后在原始數(shù)據(jù)和網(wǎng)格數(shù)據(jù)中進(jìn)行兩輪插值，在保留障礙物后遮擋空白的情況下給出了比較完整的場(chǎng)景表面。
　　視覺(jué)導(dǎo)航部分，實(shí)現(xiàn)了以特征檢測(cè)和跟蹤為基礎(chǔ)的視覺(jué)測(cè)量導(dǎo)航算法，分析了影響其精度的主要因素。以月球車(chē)立體視覺(jué)系統(tǒng)提供的局部地形圖和軌道器或著陸器提供的全局地形圖為基礎(chǔ)，給出了一種利用兩地形圖內(nèi)局部高點(diǎn)位置關(guān)系不變性實(shí)現(xiàn)定位的簡(jiǎn)便算法。這兩種算法使得立體視覺(jué)的三維地形圖不僅