面向月面微型机器人的抗滑移轮式视觉惯性里程融合定位方法
G形无轮缘轮 · 扭矩电流打滑检测 · EKF三源融合 · 适配嫦娥八号月面巡视任务
G形无轮缘轮：兼具轮式高效与足式越障
三辐条120°均匀分布 · V型人字形防滑凸起 · 阵列式减重排沙槽 · 内六边形刚性驱动轮毂
轻量化EKF三源融合 · Cortex-A55实时运行
10m直线终点误差降低约78% · 重度打滑漂移抑制改善约41% · 无需激光雷达与RTK
核心技术优势
面向G形无轮缘轮离散接触特性的三项关键技术创新，填补月面非圆形轮里程计补偿空白。
G形轮周期运动学相位修正
针对三辐条120°离散接触导致的等效半径周期性漂移，建立G形轮转角-接地半径相位映射模型，在编码器积分环节实时修正有效行进半径，消除传统圆形轮模型在此机构上的系统性误差。
扭矩电流在线打滑检测
利用内六边形刚性驱动轮毂精确传递的电机相电流与转速差异，构建在线打滑检测指标。当辐条挖掘月壤产生滑移时，自动识别并降低轮测量在EKF中的权重，转由视觉与惯性量接管位姿修正。
轻量化EKF三源融合
轮编码器、双目视觉相机与IMU以统一扩展卡尔曼滤波框架融合，输出六自由度位姿。在四核Cortex-A55嵌入式平台单帧计算耗时不超过22ms，满足30Hz实时性要求，无需激光雷达、RTK及土壤先验参数。
月壤打滑：微型月面机器人导航的核心挑战
月球表面松软月壤内摩擦角仅25°~35°，1/6G低重力下5kg级机器人车轮滑移率可达15%~40%，纯编码器里程计10m行程内累积误差超过1m。G形轮的离散接触特性进一步加剧了这一问题，传统圆形轮里程计模型完全失效。
G形无轮缘轮结构特征
兼具轮式高效连续滚动与足式越障跨步能力，专为月面松软地形优化设计
三辐条G形构型（Tri-spoke Configuration）
三根弧形辐条以120°中心对称分布，去除传统车轮外轮缘（Rimless）。轮轴连续旋转时三辐条交替触地，运动行为类似三足动物跨步。离散接触面积相比完整圆轮能产生更大法向刺入深度，提供更强挂地力，但同时导致等效接触半径随转角周期性漂移，传统里程计模型失效。
V型人字形防滑凸起（Chevron Grousers）
辐条外侧接触面设计有连续V型（人字形）胎面凸起。在颗粒状松软地形（月壤、细沙）上，该纹理能有效剪切土壤、增加纵向牵引力，同时V型结构提供横向稳定性、减少侧滑。这是典型的抗滑移设计，也是本研究扭矩电流打滑检测的物理基础。
阵列式减重排沙槽（Sand-expulsion Slots）
辐条触地弧面上开有阵列式长条形透孔，实现三重功能：极致轻量化（降低非悬挂质量，呼应5kg总质量约束）；排沙减阻（允许细沙穿透，显著降低推土效应Bulldozing Effect带来的行驶阻力与沉陷量）；增加局部顺应性（触地瞬间缓冲变形，减小冲击噪声对IMU的干扰）。
内六边形刚性驱动轮毂（Hexagonal Drive Hub）
中心轴孔采用内六边形防滑设计，确保电机输出高扭矩（尤其是深陷沙地脱困时）轮毂与驱动轴之间不发生相对打滑。这一刚性连接是本研究”相轮扭矩电流提取”方案的前提——电机扭矩电流可被精确感知并传递至轮端，用于在线打滑检测。
地面模拟月壤实验验证
在细沙铺设的地面模拟月壤跑道中，搭建ArUco标记真值系统，设置10m直线、L形折线及不同沙厚工况，对比纯编码器、VINS-Mono及固定协方差融合方案，全面验证所提方法的有效性。
应用场景与前景
所提方法可为多种月面及地外探测任务提供低成本、低功耗的自主定位支撑。
“嫦娥八号任务背景下，微型月面机器人需在南极-艾特肯盆地等复杂地形执行巡视探测与采样返回。所提轻量化定位方法可在无GPS、无RTK条件下提供可靠位姿估计，支撑自主路径规划与科学目标抵达。”
月面巡视探测
嫦娥八号 @ 南极-艾特肯盆地
“中土CHERI挑战性环境智能探索机器人项目要求在极端环境下实现自主导航。G形轮的越障能力结合三源融合定位，可应对松软沙地、陨石坑边缘等挑战性地形，为国际联合探测任务提供技术方案。”
国际联合探测
中土CHERI @ 挑战性环境
“所提方法的轻量化特性（Cortex-A55 / 22ms / 无激光雷达）使其可直接部署于资源受限的嵌入式平台。除航天领域外，亦适用于沙漠巡检、矿山勘探、灾害救援等无GPS环境下的松软地形自主导航场景。”
地面延伸应用
沙漠/矿山/救援 @ 无GPS环境
合作洽谈
本项目面向载人月面巡视任务需求，欢迎科研院所、高校及企业就技术合作、实验验证、成果转化等方向进行交流
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