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深空探测车任务中,探测车的高精度定位是探测车路径规划、危险避障及科学目标的接近的重要前提。由于深空探测车处于未知的外太空环境,常见的GPS定位无法实现。因而依据包括立体相机在内的探测车传感器,开发自主、稳健、快速的定位方法对深空探测车任务有着重要的意义。
本文针对基于立体视觉的探测车定位理论与方法,在已有的研究基础上,提出了高精度的稳健、快速的探测车自主定位方法,主要研究内容有:
1.对移动平台上的立体相机、云台、IMU和里程计等设备进行了系统地标定。标定内容包括:立体相机内方位及畸变参数与相对外方位元素标定、云台双轴单位步进角度及空间姿态位置标定、IMU同里程计的相对姿态标定和IMU同立体相机间的标定。通过标定减小了平台内部的量测系统误差,为高精度的定位奠定基础。
2.针对多帧序列立体影像上的同名点,通过特征点在多帧影像上的连续追踪,在自适应选取几何关键帧的基础上,构建几何约束强的影像区域网。通过光束法平差方法解求网中影像最优的外方位元素,实现了高精度定位。利用蒙特卡洛模拟方法分析了不同立体相机几何配置下的定位精度,为实际探测任务中探测车立体相机几何配置提供参考。
3.在实现IMU同里程计集成的航迹推算方法的基础上,将立体影像、IMU及里程计数据进行扩展卡尔曼滤波,得到最优的定位结果。该方法保证了探测车视觉测程定位失败时仍然可以输出定位结果,提高了定位的稳健性与精度。
4.在无法获得连续序列图像的情况下,生成停泊点处站点立体影像DOM,将站间立体影像转到统一正射视角,进而通过匹配确定站间的相对位置与姿态。如果DOM重叠区过小,则依据立体影像初始外方位元素求得原始影像上待匹配区域,通过抗仿射变换的特征提取算法进行特征匹配,确定站问影像的相对位置与姿态。