随着人类对深空探索的不断深入与航天技术的蓬勃发展,新时期太空任务对漫游器在行星表面探测的自主导航技术提出了挑战。漫游器的自主导航技术作为行星探测任务的关键,直接影响漫游器实地巡视探测的可靠性和科学回报率。鉴于火星表面环境复杂、机载计算机能力有限、任务巡视范围扩大等情况,传统的基于航迹递推的漫游器探测方式已经无法满足未来深层次探测任务的需要。SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)同时定位与地图构建技术作为一种新型的导航体系应用于行星表面探测任务中,是行星表面完备导航的重要支撑。因此,有必要研究发展新一代基于SLAM技术的漫游器自主导航算法。本学位论文结合国家自然科学基金项目“火星大范围漫游探测协同导航与控制方法研究”和上海宇航系统工程研究所项目“火星车自主导航地面试验验证原理样机研制”,针对火星表面特殊环境的特点,对火星漫游器在巡视任务阶段的SLAM算法进行了深入研究,论文的主要研究内容包括以下几个方面:第一,对EKF(Extended Kalman Filter,扩展卡尔曼滤波)框架下火星漫游器SLAM算法中计算复杂度的问题进行了研究。在火星漫游器巡视探测过程中,随着地图范围和特征点数量的增加,系统状态变量维数上升,计算复杂度不断增加。论文推导了在EKF-SLAM算法中,计算复杂度的表达结构和影响因素,得到单次滤波过程的计算复杂度与状态变量中包含的特征点个数的平方成正比,整体算法的计算复杂度与状态变量中包含的特征点总数的立方成正比的结论。针对这一问题,提出了一种基于局部子地图的火星漫游器SLAM算法,算法将特征点的观测值融入到一个全局位置已知的独立局部子地图中进行更新,当特征点数目达到设定阈值后,通过适当的时间间隔将局部子地图融入到全局地图中,并将该算法与传统的EKF-SLAM算法进行了比较与分析,计算复杂度和计算精度都优于传统的EKF-SLAM算法。第二,对EKF框架下火星漫游器SLAM算法中一致性问题进行了研究。EKF-SLAM算法直接给出了导航问题的递归解以及漫游器和路标不确定性的估计过程。但是在解决实际问题时,对于非线性系统,系统观测模型的线性化处理会使算法存在不收敛的情况,无法确保EKF估计协方差与真实协方差匹配,也就无法通过估计协方差来约束估计误差以保证收敛,因此产生SLAM算法的估计结果是否收敛与一致的问题,即一致性问题。传统EKF-SLAM算法将累计的漫游器位姿和特征点位置的不确定性引入到观测方程中,进一步增加了线性化误差。针对这一问题,提出了基于漫游器本体系的火星漫游器SLAM算法,将特征点的更新建立在火星漫游器本体坐标系下,观测方程线性化过程不会将漫游器位姿的不确定性和特征点位置的不确定性引入观测方程,通过减小残差的不确定性降低观测过程的不确定性,并将漫游器位姿改变量作为一个独立的特征点加入到状态量中,加入EKF更新过程,最后再对全局系在本体系中的位置进行更新。在SLAM算法中地标观测值趋近于无穷大时,漫游器位姿的协方差存在极值,则算法实现收敛。通过仿真结果分析,基于漫游器本体系的火星漫游器SLAM算法相比于传统的EKF-SLAM算法估计的一致性明显提高。第三,对多个火星漫游器探测地图重叠区域搜索算法进行了研究。地图重叠区域搜索是地图拼接的前置问题,也是地图拼接的关键步骤之一。针对这一问题,考虑图像描述向量的稀疏性,提出了一种基于改进词袋模型的重叠区域搜索算法,建立了基于L1范数形式的相似性相对评分函数。L1范数也被称为稀疏规则算子,它的解通常是稀疏的,倾向于选择数目较少的一些非常大的值或者数目较多的一些非常小的值,而且L1范数是L0范数的最优凸近似,更容易优化求解,能更好的表示两幅图像的差异度。在此基础上,设置了相似性抑制函数的相对阈值,利用相似性抑制算法对相似性评分图进行低相似性图像抑制,获得图像重叠区域。利用模拟火星表面图像进行仿真,仿真结果验证了该算法寻找地图相似区域的有效性和快速性。第四,对多个火星漫游器地图拼接方法进行了研究。考虑图像拼接计算量较大和机载计算机的计算能力,提出了一种稀疏特征点地图和漫游器位姿拼接算法,通过较小的稀疏特征点地图的拼接,完成两幅地图的完整拼接,将稀疏特征点地图拼接问题转化为计算两火星漫游器重叠区域的位姿变换关系,避免了直接利用特征点地图进行ICP匹配计算。在此基础上,对三维点云和漫游器位姿进行了联合优化,提高了拼接精度与拼接效率。最后,论文搭建了火星漫游器地面原理样机开展火星漫游器导航系统的地面试验,对漫游器导航系统的软件和硬件进行了详细介绍,并对基于A*(A-star)的全局规划算法进行了实际测试,结果分析表明该方法能够极大提高路径的搜索效率;对基于VFH+的局部路径规划与避障算法进行了实际测试,结果分析表明该方法能够有效进行局部路径规划,并对规划轨迹进行平滑度较高的估计;对火星漫游器SLAM算法进行了实际测试,结果分析表明该方法能够对漫游器位姿进行很好的估计。论文进行的地面试验和结果分析证明了火星漫游器导航系统在地面试验中的有效性和准确性。