自主导航避障移动机器人仿真软件设计

设计了一款可实现移动机器人自主导航避障的仿真软件,该软件包括机器人运行环境仿真与机器人运动控制仿真2部分.其中运行环境仿真部分提供了机器人的障碍环境即运行地图,机器人运动控制仿真部分分别模拟了机器人雷达、导航避障算法及机器人运动.首先讨论了软件框架,实现了机器人“传感-思考-执行”的运行机制;然后详细介绍了机器人雷达仿...     

基于序列图像的深空小天体探测自主相对导航误差补偿方法研究

深空小天体是典型的空间非合作目标.基于序列图像的空间非合作目标自主相对导航是实现小天体探测的重要技术手段.由于在轨环境复杂,相机不可避免地会出现测量偏差,进而影响相对导航状态估计精度.本文在充分利用相机视场内恒星序列图像的基础上,通过最小二乘法计算相机在轨标定初值,结合测量偏差状态转移模型和"恒星对"之间的星光角距测量方程,将测量偏差扩维成状态估计参数,构建了基于相机在轨误差补偿的相对导航状态估计模型.结合无迹卡尔曼滤波算法,通过序列图像的帧间信息对比进行迭代估计,获得相机测量偏差和相对导航系统状态,提高状态估计精度.仿真分析中采用2016HO3小天体作为相对导航目标,仿真结果说明了该方法的有效性,能够有效地补偿相机测量偏差,实现相对导航系统状态高精度估计,为后续开展相关任务提供了一定的技术支撑.     

自主视觉导航方法综述

深入研究视觉导航方法,对自主视觉导航方法进行了综述。阐述了视觉导航方法的分类方式,并按照视觉导航系统对地图的依赖性进行分类（即基于地图的视觉导航、地图生成型视觉导航和无地图型视觉导航）,对视觉导航的发展进行综述;给出了视觉组合导航系统的发展现状。对近年视觉导航领域文献的分析表明,视觉导航的研究热点在向智能化和多传感器融合方向延伸。     

小天体探测序列图像自主相对导航系统可观测性分析

小天体探测对探索宇宙起源、解决地球资源问题具有重要意义,研发小天体探测器及实施小天体探测已成为各国未来发展的重点.受地面测控网指令时延的影响,小天体探测器需自主获取小天体的位置、速度信息,即具备自主相对导航的能力,基于序列图像的自主相对导航系统不仅可提供包含小天体运动信息的角度观测量,还具有低成本、低功耗的优点,是一种理想的小天体探测自主相对导航方法,是目前研究的热点.可观测性分析可评估导航系统的观测能力是研究导航系统的基础.本文针对小天体探测序列图像自主相对导航系统非线性带来的可观测性分析问题,基于微分几何理论,推导了系统0至2阶李导数,建立了系统可观测性矩阵,基于秩判据分析了典型小天体探测轨道流形下序列图像自主相对导航系统的局部弱可观测性.分析结果表明,仅依靠序列图像小天体探测器可完备估计小天体运动状态.此外,本文提出了序列图像自主相对导航系统的可观测度量化方法,并分析了相对轨道流形变化对可观测度的影响,相关结论可指导小天体探测器轨道设计,具有一定的工程实用价值.     

基于零空间行为法的自主水下机器人避障策略

针对自主水下机器人(AUV)在复杂海底环境驶向目标点的过程中可能遇到动静态障碍物的问题,设计了基于零空间行为(NSB)法的避障策略.首先将AUV驶向目标点的整体任务分解成不同的子任务,并把避障子任务设为最高优先级任务;对于多任务控制目标,将由低优先级任务向量向高优先级任务向量的零空间进行投影得到的综合任务向量作为最终输出函数;在完成高优先级任务的同时,部分或全部完成低优先级任务,以避免各任务目标的相互冲突.随后根据不同子任务的优先级设计相应的任务函数,研究了针对静态和动态障碍物的避障策略;推导并建立了AUV运动的综合输出函数,以确保其在驶向目标点的过程中对不同类型障碍物进行有效规避.模拟计算结果证明该方法是有效的和可行的,在复杂障碍物环境中能够达到预期的避障效果.     

基于自适应动态规划算法的小车自主导航控制策略设计

小车自主导航系统是路径规划领域研究的难点问题。本文利用自适应动态规划算法对小车自主寻路、避障的控制策略进行了设计。介绍了仿真过程中小车检测环境状态量的方法,提出了小车通过连续型奖励/惩罚信号自主学习寻路、避障的控制策略,并结合虚拟现实技术创建了不同路径和不同障碍物状态的仿真环境。通过不同路径状态的仿真实验,验证了自适应动态规划算法在解决小车自主导航避障控制策略问题上的可靠性和稳定性。     

基于图像视觉伺服的移动机器人自主导航实现

提出了一种基于移动机器人双目摄像头的图像视觉伺服方法,实现了基于图像视觉伺服的移动机器人自主导航.当匹配图像特征点时,采取KLT算法和基于Harris算子角点检测与匹配算法相结合的方法,大幅优化了整个工程的运行时间,并结合RANSAC算法剔除误匹配的特征点对,使机器人能够精确地定位.实验结果证明该方法有效、正确.     

基于图像的巡检船主动避障算法

对巡检船主动避障算法进行研究,提出一种方向抑制的GOA(gradient of averages,平均梯度)改进算法,解决了传统直线段提取算法计算量大的问题.采用抑制横向纹理的GOA算法强化障碍物特有的竖(斜)向纹理,利用特殊形态学模板进行去噪,并结合时域滤波处理连通分析结果,完成目标特征检测.通过与LSD(Line Segment detection)算法进行实验对比,结果表明:改进算法边缘特征提取完整,计算复杂度低.针对TI公司的Davinci芯片进行算法核心函数优化,满足实时性要求.     

一种基于星敏感器的自主导航方法

由于惯性器件存在漂移,很难进一步提高采用惯性设备提供水平基准来实现星敏感器自主导航精度;而由于大气模型不精确,很难进一步提高利用星光折射来实现星敏感器自主导航的精度。为此,本文提出根据星敏感器的识别结果以及激光水平测量部件分别测量星敏感器的两个像平面轴来实现星敏感器自主导航。外场实验结果表明:采用本文的方法来实现星敏感器自主导航不仅能为载体提供角秒级精度的三轴姿态,而且能为载体提供角秒级的载体经度和纬度,所以该系统为载体提供了高精度的导航信息。     

基于IBES优化的三维无人机自主避障

针对三维空间环境复杂,航迹规划计算量较大,而现有BES算法受路径搜索能力不足等因素制约,无人机易在低空自主避障时陷入局部最优、难以完成复杂任务等缺陷的情况,提出了一种基于IBES算法的三维无人机自主避障方法。首先,构建威胁源模型、无人机物理约束模型以及三维山地模型,建立代价函数;其次,设计了随机Tent映射来初始化种群,提高初始化种群的质量;然后,针对BES算法在第一阶段——选择搜索空间阶段过早收敛,易陷入局部极值点的情况,引入Levy飞行策略修订此阶段更新公式,跳出局部最优;再后,设计了融合自适应指数权重的黄金正弦指引机制,提高秃鹰在既定空间全面探索并利用搜索空间的能力,解决了BES算法在既定空间内搜索猎物能力不足的问题;最后,设计了动态选择自适应t分布变异算子,提高了全局能力,同时,利用样条插值随机取点解决了路径点过于密集的问题,进一步提升了算法精度。仿真实验结果表明,提出的IBES算法规划的路径相比灰狼算法、改进的飞蛾扑火算法、麻雀算法及秃鹰搜索算法,航程分别降低了23.05、10.55、13.44和3.20 km,代价相比其他4种算法分别降低了7.26、9.51、8.27和4....     

角度约束辅助测量的深空探测器自主天文测角导航方法

高精度的天文量测信息是满足深空探测器高精度自主天文测角导航的必要条件.天文测角量测信息多种多样,之间具有几何约束关系,测量误差具有不同特性且符合相应的约束条件.本文提出了一种基于角度约束辅助测量的深空探测器自主天文测角导航方法,该方法以深空探测器轨道动力学模型作为状态模型,以火星、火卫一和火卫二与探测器之间的方位角作为量测量建立量测模型,并对量测量进行角度约束建模,然后利用遗传算法-序列二次规划混合非线性规划方法对角度约束模型进行非线性规划,由于系统模型均为非线性模型,因此本文利用容积卡尔曼滤波对系统状态进行估计,减小随机误差,并分析了天文测角的量测精度对导航精度的影响.仿真结果表明,本文所提方法可有效抑制多源随机量测误差,实现深空探测器高精度自主导航.     

基于天体三维模型的着陆段视觉导航方法

针对深空探测精确着陆的需求,本文提出一种基于天体三维模型的着陆器视觉导航方法.该方法以天体三维模型为数据基础,根据着陆器初始猜测状态在线生成导航地图,通过已知路标匹配确定着陆器相对着陆点位置姿态;借助三维模型提供的深度信息配准像素灰度,恢复序列图像帧间运动,给出两次已知路标匹配之间的局部运动轨迹,实现着陆下降过程着陆器状态的准确估计.在线生成参考地图与实际采集的天体图像在尺度、视角等方面比较接近,更易于导航路标的匹配,解决了下降过程尺度大范围变化使路标难以匹配的问题.引入像素深度信息辅助灰度配准,通过搜索图像间平移和旋转使图像中的全部特征灰度差异最小,采用了全局优化思想,因此可以克服特征匹配过程易陷入局部极小,出现误匹配的问题,具有更高的帧间运动估计精度和稳定性.数学仿真表明,本文提出的视觉导航方法具有良好的性能,满足深空探测高精度着陆的导航需求.     

心脏B超序列图像动态新信息的提取与系统实现

叙述从心脏B超、彩超序列图像中提取动态新信息的一种方法———全方向M型心动图 .它能够从心脏B超序列图像所显示的任何心脏结构的序列图像中提取出其任何部位互相同步的心动波形图 ,进而可以从中提取出心脏该结构该部位运动过程的所有动态信息 .文中还介绍了全方向M型心动图系统的实现和临床应用 .     

基于不规则曲线匹配的小天体着陆器视觉导航算法

针对小天体着陆器着陆过程的视觉导航问题,本文提出了一种利用不规则曲线上的点-切线来估计着陆器位姿的算法.首先,通过构建不规则曲线描述符完成着陆图像中的不规则曲线匹配;其次,建立位姿与点-切线之间的约束关系;然后,通过曲线参数化的方法求解高阶方程组,并利用约束条件求得位姿参数唯一解及多条匹配曲线的最小二乘解;最后,通过仿真验证了噪声强度、正确匹配曲线个数对导航精度的影响,证明了算法的可行性.     

基于UKF的ILS/GLS/INS组合导航融合方法

针对进近着陆过程中,仪表着陆系统(ILS)会受到空域以及外界环境的影响而产生导航偏差,影响进近着陆时导航的精度,而现在正在引进GLS着陆系统。本文提出一种将ILS和GLS分别与SINS相组合,利用改进的联邦无迹卡尔曼滤波,将其输出的位置之差作为量测值,再根据线性最小方差准则,提出了按照最优系数加权的方法融合局部导航数据,从而得到全局最优估值。相比于传统的联邦滤波算法,能有效的降低测量噪声,减小飞机降落时与标准航道的偏角误差,从而提高进近着陆引导的水平精度。     

基于XPNAV和SINS的容错组合导航系统

提出一种基于脉冲星导航和捷联惯导的容错组合导航系统.捷联惯导具有自主性和不间断性的优点,可弥补脉冲星导航滤波周期较长的缺陷;脉冲星导航的长期稳定度好,可抑制捷联惯导的误差随时间发散.该系统根据轨道动力学模型和SINS估计航天器的状态,利用脉冲星导航的观测量分别修正估计误差,通过相位残差检测天体遮挡等因素引起的故障,利用联邦扩展卡尔曼滤波融合导航信息.仿真实验结果表明:同脉冲星导航方法相比,该方法具有更高的精度和更短的滤波周期,且不受天体遮挡的影响.     

基于顺序时序机的数字集成系统隐式软故障自状态差定位

建立隐式软故障概念。目前国内、国际在数字领域内极为关心的重大问题是它的精确定位，利用顺序时序机产生了全部工作模式下的样本状态表、状态差表，导出了基于顺序时序机状态差的一系列重要和特别有用的性质及规律，所形成的自状态差理论要比当前使用的故障诊断方法方便简单得多，用自状态理论极为容易对待测数字集成系统工作模式进行识别。同时直观地对隐式软故障精确定位，并可确定隐式软故障数目。自状态差法无疑将为数字集成系统设计及测试带来强有力支持。     

卫星编队飞行GPS自主导航和控制

本文提出了一般相对轨道动力学方程和用于编队飞行的GPS星栽自主导航模型和算法.同时文章也提出了用GPS伪距测量信息实现卫星编队飞行的建立和保持的自主导航控制方法.其中包括用于编队飞行建立的非线性控制律和用于编队飞行保持的线性控制律.以及相应的估计器的算法.作为这些方法的一个实际应用,文章给出了EO-1/Lantlsat 7编队飞行的自主导航控制系统的设计和实现.一般情况下最优控制律的实现是需要变推力发动机的,在没有变推力发动机的情况下,本文特别给出并验证了用冲量等价的方法实现变推力发动机替代的可行性.上述设计已经过数字仿真的验证,证实了设计的正确性和实现的可行性.