一种基于视觉的火星车自主导航方案设计

管叙军，王新龙

（北京航空航天大学宇航学院，北京　１００１９１）

摘　要：火星车的自主导航是其顺利完成火星探测任务的重要保障，是目前火星车需要亟待解决的关键技术之一。首先，对几种不同的视觉定位方法进行论述，分析了不同视觉定位方法的优缺点。然后，给出了天文导航系统的定姿原理。最后，根据惯性、视觉、天文三种导航系统各自的特点，设计了一种适用于火星车的惯性／视觉／天文自主组合导航方案，通过有机融合三种导航系统的信息，使该方案能够满足火星车在复杂环境下对长时间、远距离、高精度自主导航的要求。

关键词：火星车；惯性导航；视觉导航；天文导航

中图分类号：Ｖ２４９．３２＋８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３－５０４８（２０１５）０１－００２３－０５A Design of Autonomous Navigation Scheme Based on Vision

for the Mars Rovers

ＧｕａｎＸｕｊｕｎ，ＷａｎｇＸｉｎｌｏｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）

Abstract：ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓｎａｖｉｇａｔｉｏｎｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒａＭａｒｓｒｏｖｅｒｔｏｆｕｌｆｉｌｌｍｉｓｓｉｏｎｓｓｕｃ－ｃｅｓｓｆｕｌｌｙ，ａｎｄｉｔｉｓａｃｒｉｔｉｃａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｎｅｅｄｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｓｅｖｅｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖｉｓｕａｌｌｏｃａｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎｄｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙｏｆｃｅｌｅｓｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎｉｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．Ｌａｓｔｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｎｅｒ－ｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｖｉｓｕａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｃｅｌｅｓｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ａｎｉｎｅｒｔｉａｌ／ｖｉｓｕａｌ／ｃｅｌｅｓｔｉａｌａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｉｎｔｅｇｒａｔ－ｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅＭａｒｓｒｏｖｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｉｔｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｌｏｎｇｔｉｍｅ，ｒｅｍｏｔｅｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉ－ｓｉｏｎａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｎａｖｉｇａｔｉｏｎｆｏｒｒｏｖｅｒｓｉｎｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．

Key words：Ｍａｒｓｒｏｖｅｒ；ｉｎｅｒｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｖｉｓｕａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ｃｅｌｅｓｔｉａｌｎａｖｉｇａｔｉｏｎ

0　引言

火星在太阳系八大行星中与地球的关系最为密切，属于类地行星。虽然火星的大小与地球不相称，但两者绕太阳运行的半径相近，都有四季的存

收稿日期：２０１４－０７－０７

基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１２３３００５）；宇航动力学国家重点实验室基金资助项目（２０１２ＡＤＬ－ＤＷ０２０１）

作者简介：管叙军（１９８９－），男，山东青岛人，硕士研究生，研究方向是惯性导航、组合导航。在，一天的时间也与地球相似。而且，已经有证据表明，火星上有水存在。因此，火星被认为是离我们最近的最有可能存在生命的地方，这也是人类对火星的研究充满兴趣和期待的原因。

在火星探测中，火星车是在火星表面进行巡视探测的航天器，是火星探测必不可少的工具和手段。通过火星车在火星表面的探测活动，人们可以获取火星表面的环境资料，收集火星表面的岩石和土壤标本，从而完成科学探测任务。火星车通常借助地面站通过无线电测控进行导航控制，但由于地球和火星的自转和公转运动以及所带来的

２０１５年第１期２０１５年２月

航空兵器

ＡＥＲＯＷＥＡＰＯＮＲＹ２０１５Ｎｏ．１

Ｆｅｂ．２０１５