CN100451549C - 深空探测器软着陆视觉导航算法模拟测试装置 - Google Patents

Abstract

深空探测器软着陆视觉导航算法模拟测试装置，它涉及一种模拟深空探测器软着陆运动过程的测试装置。它克服了现有的测试装置占地面积较大、只能模拟三维运动、难以模拟探测器复杂运行轨迹的缺陷。它包括模拟目标星体表面的地景模拟沙盘(6)；实时摄取正对应处(6)的信息的导航相机(29)；接收(29)的信息并实时产生位置、姿态调整命令的实时仿真机(5)；水平平动小车(1)，接收(5)的命令，在水平面内作出相应运动并把位置变化量反馈给(5)；空间三坐标轴转动平台(3)，接收(5)的命令，绕空间三坐标轴作出相应转动并把位置变化量反馈给(5)；丝杠导轨机构(2)，接收(5)的命令，在铅垂方向作出相应传动并把位置变化量反馈给(5)；(29)固定在(3)上，(3)设置在(1)的上方并通过(2)与(1)相连接。

Description

深空探测器软着陆视觉导航算法模拟测试装置

技术领域

本发明涉及一种模拟深空探测器软着陆目标天体运动过程时探测器相对于目标天体位置、姿态以及目标天体表面的测试装置。该装置用在地面实验室内对软着陆天体的深空探测器自主光学导航系统进行性能验证与评估等，也为软着陆自主光学导航算法提供一种分析实验结果。

背景技术

随着行星际探测任务的日益增多，探测器在星球表面的安全软着陆已经成为深空科学探测的重要任务和课题。在深空探测任务中，由于目标天体和地面基站之间存在着较长的通讯延迟，加之着陆天体的过程持续时间相对较短，采用传统的基于深空网的导航制导控制模式无法满足着陆实时性的要求。因此，对于着陆小天体的探测器必须具有自主导航、制导与控制(GNC)的能力。同时，由于小天体的形状、质量、密度、引力场和自旋等信息无法事先通过地球观测的方式精确得到，这就要求星载GNC系统具有较强的自主性和对环境的自适应能力。同时，为了对有科学价值的区域进行研究和取样，希望着陆器能够在危险区域(岩石、弹坑和陡坡)安全着陆。为了安全、准确地降落到目标星体表面，探测器必须具有自主的障碍检测与规避的能力。软着陆自主导航技术是指在人不直接参与的情况下，着陆器利用自身携带的传感器提供的信息，自主地确定位置、姿态等位姿信息，同时对备选着陆区进行安全评价，在着陆过程中选取最终着陆点。目前基于目标天体光学特性和地表图像信息的导航方案被认为是未来着陆天体的最佳导航方案之一。同时基于光学信息的自主导航技术也是当前各国航天科研部门重点发展的研究方向之一。

由于软着陆自主光学导航系统在飞行在轨测试之前，必须经过一个在地面上模拟软着陆运行环境下的参数测试和验证阶段，因此在地面实验室内，必须具备的一个重要的环节是创建一个能够模拟深空探测器软着陆过程中运行的轨迹、姿态以及目标星体表面信息的综合装置。该装置主要来完成对光学自主导航系统的测试，利用其模拟的着陆器下降轨迹、姿态与光学自主导航算法给出的估计位置及姿态信息相比较，测试光学自主导航算法的自主轨道确定、姿态确定性能，利用其模拟目标天体表面光学特性来测试自主光学导航算法的障碍检测功能。由于自主导航系统的性能决定了着陆任务的成功与否，在目前无直接可利用的半实物测试装置的情况下，重点开展深空探测器软着陆模拟测试装置的研发工作，是十分重要的，也是非常必要的。

在已有的实现深空探测器软着陆模拟测试装置的技术方案中，在先技术[1](参见Eli David Skulsky，Andrew Edie Johnson et al.，Rocket Sled Testing of aPrototype Terrain-Relative Navigation System。AAS 01-026)，美国NASA下属JPL实验室采用由电机直接拖动探测器相机系统在滑轨运动的方案，即探测器将按已设计好的空间轨迹数据来模拟实际的空间运动，用于测试与验证JPL实验室提出的自主障碍检测算法的性能参数。该方法可以模拟探测器的一维轨迹及二维姿态运动状态，可以完成对障碍检测算法相关性能参数的测试。由于该方案是直接驱动电机拖动相机系统在滑轨上运动，因此占地面积较大，同时，由于它只能模拟三维运动，用它来模拟探测器复杂运行轨迹比较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种深空探测器软着陆视觉导航算法模拟测试装置，以克服现有的测试装置占地面积较大、只能模拟三维运动、难以模拟探测器复杂运行轨迹的缺陷。在考虑系统可靠、灵活的基础上，提供一种控制方式简单、技术上可行的深空探测器软着陆模拟测试装置，从而解决在对深空探测器软着陆自主光学导航系统性能测试中，深空探测器轨迹、姿态以及目标天体表面光学特性模拟这一难题。它包括

侧表面模拟目标星体表面的地景模拟沙盘6；

导航相机29，以实时摄取导航相机29的镜头正对应处地景模拟沙盘6的侧表面信息；

实时仿真机5，以接收导航相机29摄取的信息并实时产生位置、姿态调整命令；

水平平动小车1，以接收实时仿真机5的位置、姿态调整命令，在水平面内作出相应运动，并把运动产生的位置变化量反馈给实时仿真机5；

空间三坐标轴转动平台3，以接收实时仿真机5的位置、姿态调整命令，绕空间三坐标轴作出相应转动，并把转动产生的位置变化量反馈给实时仿真机5；

丝杠导轨机构2，以接收实时仿真机5的位置、姿态调整命令，在铅垂方向作出相应传动，并把传动产生的位置变化量反馈给实时仿真机5；

导航相机29固定在空间三坐标轴转动平台3上，空间三坐标轴转动平台3设置在水平平动小车1的上方并通过丝杠导轨机构2与水平平动小车1相连接以实现空间三坐标轴转动平台3在铅垂方向的运动。

本发明工作时，水平平动小车1逐渐向地景模拟沙盘6靠近以使导航相机29能够模拟深空探测器软着陆的过程。导航相机29在接近地景模拟沙盘6的过程中，根据摄取的地表信息和设置在实时仿真机5中的导航程序和位姿调整程序，位置、姿态调整命令驱动水平平动小车1、空间三坐标轴转动平台3和丝杠导轨机构2作出相应的动作，以完成着陆过程，从而验证导航程序和位姿调整程序。本发明优于在先技术[1]之处在于，本发明可以模拟探测器全部六自由度运动，以验证导航算法的精确性。本系统能在俯仰角及滚转角-30°-30°，偏航角-60°～60°范围内模拟深空探测器的姿态运动，并且模拟探测器位置也不受到滑轨的限制，占地面积小，更能适合模拟实际探测器下降段的运动状态。对基于单目、双目导航相机的自主导航算法及其它领域的视觉方法都可以进行仿真验证。如果改变地景等模拟条件，还适用于火星、月球探测车的仿真验证试验，本发明具有适用性广，实用性强，结构简单，模拟仿真精度高等特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，图2为本发明实施方式二、三和四的结构示意图，图3是图2的A向视图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。它由

侧表面模拟目标星体表面的地景模拟沙盘6；

导航相机29，以实时摄取导航相机29的镜头正对应处地景模拟沙盘6的侧表面信息；

实时仿真机5，以接收导航相机29摄取的信息并实时产生位置、姿态调整命令；所述的实时仿真机内设有位姿模拟控制程序及自主光学导航程序；

水平平动小车1，以接收实时仿真机5的位置、姿态调整命令，在水平面内作出相应运动，并把运动产生的位置变化量反馈给实时仿真机5；

空间三坐标轴转动平台3，以接收实时仿真机5的位置、姿态调整命令，绕空间三坐标轴作出相应转动，并把转动产生的位置变化量反馈给实时仿真机5；

丝杠导轨机构2，以接收实时仿真机5的位置、姿态调整命令，在铅垂方向作出相应传动，并把传动产生的位置变化量反馈给实时仿真机5组成；

导航相机29固定在空间三坐标轴转动平台3上，空间三坐标轴转动平台3设置在水平平动小车1的上方并通过丝杠导轨机构2与水平平动小车1相连接以实现空间三坐标轴转动平台3在铅垂方向的运动。

在模拟深空探测器软着陆运动状态过程中，由于探测器的整个运动状态可以分解为平移的三自由度，姿态的三自由度。平移的三自由度可以分为沿三个方向(X，Y，Z)的运动，这个运动由水平平动小车1及其上的丝杠导轨机构2来完成。姿态的三自由度可以分解为依次绕三个坐标轴的欧拉角，本系统采用先绕Z轴转动φ角，再绕X角转动

角，最后绕Y角转动θ角。称φ角为偏航角，角为滚动角，θ角为俯仰角，有

$\mathrm{\φ}=\arctan [-\frac{A_{21}}{A_{22}}]$

$\mathrm{\θ}=\arctan [-\frac{A_{13}}{A_{33}}]$

其中A_ij为姿态转化矩阵A的第i行，第j列元素。如果每一指定时刻的姿态数据输入(φ，

θ)，就能利用电机驱动万向转台指向期望方位，用来模拟探测器真实姿态。

在水平平动小车1平移运动过程中，固定于空间三坐标轴转动平台3上的导航相机29对地景模拟沙盘6表面拍照，利用导航相机得到的图像信息对探测器位姿进行估计，比较自主光学导航算法估计的结果与探测器真实轨迹、姿态，从而验证光学导航算法的性能。

具体实施方式二：下面结合图2和图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：水平平动小车1由车体平台1-1、第一主动轮1-2第二主动轮1-3、第一导向轮1-4、第二导向轮1-5、两个力矩电机1-6、二个角度位移传感器1-7和二个偏角位移传感器1-8组成，第一主动轮1-2、第二主动轮1-3设置在车体平台1-1的两侧处并分别由一个力矩电机1-6驱动，第一导向轮1-4、第二导向轮1-5分别设置在车体平台1-1的前部和后部，第一导向轮1-4和第二导向轮1-5与车体平台1-1间分别设置一个偏角位移传感器1-8，当车体平台1-1在运动过程中转弯时，偏角位移传感器1-8实时测取车体平台1-1的偏转角度，第一主动轮1-2和第二主动轮1-3上分别设置一个角度位移传感器1-7以实时测取两个主动轮的滚转角度。两个力矩电机1-6受实时仿真机5驱动，二个角度位移传感器1-7和二个偏角位移传感器1-8向实时仿真机5传送信息。

具体实施方式三：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是：空间三坐标轴转动平台3由托载台3-1、位于托载台3-1上并能在水平面内旋转的旋转台3-2、俯仰运动框架3-3、滚转运动框架3-4、三个力矩电机16和三个编码器17组成，托载台3-1与丝杠导轨机构2相连接以接受其在高度方向上的调节，旋转台3-2与第二力矩电机16相连接以接受其驱动，旋转台3-2与一个编码器17相连接以实时测取转动角度，俯仰运动框架3-3通过铰接轴3-3-1铰接在旋转台3-2的上表面上，俯仰运动框架3-3与第二力矩电机16相连接以接受其驱动，俯仰运动框架3-3与一个编码器17相连接以实时测取转动角度，滚转运动框架3-4通过铰链轴3-4-1铰接在俯仰运动框架3-3上，滚转运动框架3-4与第二力矩电机16相连接以接受其驱动，滚转运动框架3-4与一个编码器17相连接以实时测取转动角度，铰接轴3-3-1、铰链轴3-4-1和旋转台3-2的旋转中心轴空间上相交于一点。

本实施方式中空间三坐标轴转动平台3的基本结构采用优质铝合金，各转动轴由力矩电机通过减速装置驱动。该转台的机械结构重量轻，刚度高，且其特殊的设计还满足了在较大角度范围内(俯仰角及滚转角-30°～30°，偏航角-60°～60°)，不受丝杠滑轨机构的影响自由转动。并且为了避免转动轴不交于一点而带来的转动过程中导航相机29发生位置变化，给小车位置控制增加困难。该转台通过改变转轴位置和转动结构的构型实现了转轴不受丝杠约束而相交于一点的要求。

具体实施方式四：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式三的不同点是：它还包括位姿确定相机30、直角三角形分布在车体平台1-1上表面上的三个反光标识点31和位置姿态解算计算机32、测取托载台3-1垂直方向位置的位移传感器21组成，位姿确定相机30设置在空间三坐标轴转动平台3的上方以摄取反光标识点31的位置信息，位姿确定相机30的输出端连接位置姿态解算计算机32的一个输入端，位移传感器21的输出端连接位置姿态解算计算机32的另一个输入端，三个编码器17、二个角度位移传感器1-7和二个偏角位移传感器1-8的输出端分别连接位置姿态解算计算机32的一个输入端。如此设置，由导航相机29获得的导航图像，通过自主光学导航算法处理得出模拟的深空探测器位置姿态信息。与本实施方式实际测出的位置姿态参数进行比对，能够验证导航算法的精确性及实时性。

Claims (4)

1、一种深空探测器软着陆视觉导航算法模拟测试装置，其特征在于它包括

侧表面模拟目标星体表面的地景模拟沙盘(6)；

导航相机(29)，以实时摄取导航相机(29)的镜头正对应处地景模拟沙盘(6)的侧表面信息；

实时仿真机(5)，以接收导航相机(29)摄取的信息并实时产生位置、姿态调整命令；

水平平动小车(1)，以接收实时仿真机(5)的位置、姿态调整命令，在水平面内作出相应运动，并把运动产生的位置变化量反馈给实时仿真机(5)；

空间三坐标轴转动平台(3)，以接收实时仿真机(5)的位置、姿态调整命令，绕空间三坐标轴作出相应转动，并把转动产生的位置变化量反馈给实时仿真机(5)；

丝杠导轨机构(2)，以接收实时仿真机(5)的位置、姿态调整命令，在铅垂方向作出相应传动，并把传动产生的位置变化量反馈给实时仿真机(5)；

导航相机(29)固定在空间三坐标轴转动平台(3)上，空间三坐标轴转动平台(3)设置在水平平动小车(1)的上方并通过丝杠导轨机构(2)与水平平动小车(1)相连接以实现空间三坐标轴转动平台(3)在铅垂方向的运动。

2、根据权利要求1所述的深空探测器软着陆视觉导航算法模拟测试装置，其特征在于水平平动小车(1)由车体平台(1-1)、第一主动轮(1-2)、第二主动轮(1-3)、第一导向轮(1-4)、第二导向轮(1-5)、两个力矩电机(1-6)、二个角度位移传感器(1-7)和二个偏角位移传感器(1-8)组成，第一主动轮(1-2)、第二主动轮(1-3)设置在车体平台(1-1)的两侧处并分别由一个力矩电机(1-6)驱动，第一导向轮(1-4)、第二导向轮(1-5)分别设置在车体平台(1-1)的前部和后部，第一导向轮(1-4)和第二导向轮(1-5)与车体平台(1-1)间分别设置一个偏角位移传感器(1-8)，第一主动轮(1-2)和第二主动轮(1-3)上分别设置一个角度位移传感器(1-7)以实时测取两个主动轮的滚转角度。

3、根据权利要求2所述的深空探测器软着陆视觉导航算法模拟测试装置，其特征在于空间三坐标轴转动平台(3)由托载台(3-1)、位于托载台(3-1)上并能在水平面内旋转的旋转台(3-2)、俯仰运动框架(3-3)、滚转运动框架(3-4)、三个第二力矩电机(16)和三个编码器(17)组成，托载台(3-1)与丝杠导轨机构(2)相连接以接受其在高度方向上的调节，旋转台(3-2)与一个第二力矩电机(16)相连接以接受其驱动，旋转台(3-2)与一个编码器(17)相连接以实时测取转动角度，俯仰运动框架(3-3)通过铰接轴(3-3-1)铰接在旋转台(3-2)的上表面上，俯仰运动框架(3-3)与一个第二力矩电机(16)相连接以接受其驱动，俯仰运动框架(3-3)与一个编码器(17)相连接以实时测取转动角度，滚转运动框架(3-4)通过铰链轴(3-4-1)铰接在俯仰运动框架(3-3)上，滚转运动框架(3-4)与一个第二力矩电机(16)相连接以接受其驱动，滚转运动框架(3-4)与一个编码器(17)相连接以实时测取转动角度，铰接轴(3-3-1)、铰链轴(3-4-1)和旋转台(3-2)的旋转中心轴空间上相交于一点。

4、根据权利要求3所述的深空探测器软着陆视觉导航算法模拟测试装置，其特征在于它还包括位姿确定相机(30)、直角三角形分布在车体平台(1-1)上表面上的三个反光标识点(31)和位置姿态解算计算机(32)、测取托载台(3-1)垂直方向位置的位移传感器(21)，位姿确定相机(30)设置在空间三坐标轴转动平台(3)的上方以摄取反光标识点(31)的位置信息，位姿确定相机(30)的输出端连接位置姿态解算计算机(32)的一个输入端，位移传感器(21)的输出端连接位置姿态解算计算机(32)的另一个输入端，三个编码器(17)、二个角度位移传感器(1-7)和二个偏角位移传感器(1-8)的输出端分别连接位置姿态解算计算机(32)的一个输入端。

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