月球車立體視覺與視覺導航方法研究.pdf

1、根據(jù)我國的月球探測計劃，在利用環(huán)月衛(wèi)星對月球進行初步的探測之后，將需要使探測器在月球表面軟著陸，并由月球車執(zhí)行較大范圍的詳細探測任務(wù)，為載人登月和建立月球基地做好準備。月球車是各類探測儀器的平臺，其安全的漫游是實現(xiàn)一切后續(xù)探測任務(wù)的基礎(chǔ)，而安全漫游的實現(xiàn)需要準確的地形和自身位置信息，這就是本文視覺與導航系統(tǒng)的任務(wù)。
　　作為室外移動機器人的一個特例，月球車的視覺與導航技術(shù)來源于通用視覺與導航技術(shù)，但又具有自身的特點，如對可靠性要求

2、極高，希望系統(tǒng)的總質(zhì)量、能耗等盡可能小，希望視覺處理速度盡可能快等。基于上述分析，本文選擇被動的雙目立體視覺作為視覺與導航系統(tǒng)的實現(xiàn)模式，根據(jù)月球車漫游任務(wù)要求，對系統(tǒng)硬件組成和配置參數(shù)進行了詳細的分析，給出了一種配置方案。
　　攝像機標定方面，因視場要求采用寬視場鏡頭，而較大的場景深度要求在較遠距離處保證一定的精度，因此標定中必須采用考慮了鏡頭畸變的成像模型?，F(xiàn)有的線性標定方法無法考慮鏡頭畸變，而基于優(yōu)化的方法實現(xiàn)起來一般比較復

3、雜。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，引入了擴展的徑向準直準則，通過合理組織參數(shù)求解次序，給出了一種考慮了鏡頭畸變的迭代式優(yōu)化標定方法。該方法實現(xiàn)簡單，每一步只需用到最小二乘法，可以有效提高標定精度，并可以方便地進行擴展以包含更多或更少的畸變參數(shù)而不增加計算的復雜度。
　　立體匹配是立體視覺中最為關(guān)鍵的一個步驟。月球車所處的月面自然地形中沒有規(guī)則景物，場景圖像中無紋理和少紋理區(qū)域較多，為匹配帶來了困難。本文針對月球表面地形相對平坦的特點

4、，在對圖對進行立體校正以后，引入了一個適用于平面地形的視差線性變化約束，并以此為基礎(chǔ)給出了一種多級匹配算法。算法首先對特征明顯的點進行匹配，其結(jié)果通過視差線性變化約束輔助后續(xù)點的匹配。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。算法對于多種不同類型的地形圖像表現(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。
　　在攝像機標定和立體匹配之后，可以重建得到場景中景物點的三維坐標。為得到月球車障礙規(guī)避和路

5、徑規(guī)劃所需要的三維地形圖，對重建后的三維坐標點首先去除孤立點，然后在原始數(shù)據(jù)和網(wǎng)格數(shù)據(jù)中進行兩輪插值，在保留障礙物后遮擋空白的情況下給出了比較完整的場景表面。
　　視覺導航部分，實現(xiàn)了以特征檢測和跟蹤為基礎(chǔ)的視覺測量導航算法，分析了影響其精度的主要因素。以月球車立體視覺系統(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)局部高點位置關(guān)系不變性實現(xiàn)定位的簡便算法。這兩種算法使得立體視覺的三維地形圖不僅