CN104865846B - 组合自主导航系统的地面半物理仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合自主导航系统的地面半物理仿真平台，在平面场地内设置模拟天体和轨道，模块天体上设置有多普勒波源，巡迹小车模拟飞行器以预设速度沿轨道运动，在运动过程中由巡迹小车上搭载的多普勒导航模块和摄像头导航模块分别模拟红移测速导航系统和天文测角导航系统，得到巡迹小车的速度和与模拟天体的角度，再由巡迹小车上的处理器模块计算得到巡迹小车的坐标并上传至上位机，上位机根据坐标信息拟合得到巡迹小车的轨迹，再与轨道的实际轨迹进行对比，通过该轨迹与轨道的实际轨迹的相似度来判断得到组合自主导航算法的性能。本发明提高了对深空探测飞行环境的模拟精度，从而提高对组合自主导航系统定位、定速能力的评估准确度。

Description

组合自主导航系统的地面半物理仿真平台

技术领域

本发明属于深空探测技术领域，更为具体地讲，涉及一种组合自主导航系统的地面半物理仿真平台。

背景技术

深空探测飞行由于距离远、背景环境复杂、飞行程序复杂、器地通信时延大等原因，要求飞行器能够实现自主导航，因此自主导航能力对任务的完成至关重要。在导航方法和理论的研究和设计过程中，对飞行器导航系统进行性能评估和验证是一个非常重要的环节。而真实飞行器平台建造时间长，成本高，实现结构复杂，为了对组合自主导航系统进行检测评估，因此必须进行模拟测试。

目前的模拟测试的方法分为软件模拟和半物理模拟。软件模拟中的飞行器参数和深空环境参数都是人为设置的，对实际情况的模拟具有较大局限性。半物理模拟能够利用各器件的真实误差特性进行仿真，较纯粹的软件模拟能够更加贴近实际情况，得到更加精确的仿真结果。但是目前的半物理模拟方法大多是采用若干个计算机对组合自主导航系统的各个模块进行软件模拟，仿真模拟程度不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种组合自主导航系统的地面半物理仿真平台，提高对深空探测飞行环境的模拟精度，从而提高对组合自主导航系统定位、定速能力的评估准确度。

为实现上述发明目的，本发明组合自主导航系统的地面半物理仿真平台，包括：模拟天体、轨道、巡迹小车和上位机，其中：

模拟天体的数量根据实际情况设置，至少为两个，模拟天体在平面场地内固定放置，其位置要求为：巡迹小车在沿轨道运动过程中，始终至少有两个模拟天体位于巡迹小车上搭载的摄像头导航模块的视场内；模拟天体之间根据颜色或形状区分，每个模拟天体上设置有多普勒波源模块，多普勒波源的频率根据从上位机接收的波源参数设置信号进行设置；

轨道铺设在平面场地内，其轨迹根据实际需要设置；

巡迹小车上搭载有多普勒导航模块、摄像头导航模块、巡迹控制模块、处理器模块和通信模块，其中：

多普勒导航模块在巡迹小车运动过程中接收模拟天体波源所发出的信号，根据多普勒效应计算巡迹小车相对于各个模拟天体的速度，发送给处理器模块；

摄像头导航模块的视线方向与巡迹小车的运动方向相同，在巡迹小车运动过程中持续拍摄模拟天体的图像，对图像中的模拟天体进行识别，根据模拟天体图像在图像中的位置，计算巡迹小车当前在平面场地中的与模拟天体位置的几何角度，发送给处理器模块；

巡迹控制模块对轨道进行路径识别，控制巡迹小车的速度和运动方向，使巡迹小车按照预设速度沿轨道行驶；

处理器模块接收多普勒导航模块发送的速度信息和摄像头导航模块发送的角度信息，根据存储的模拟天体在平面场地中的坐标，调用组合自主导航算法计算巡迹小车的坐标，并将速度信息、角度信息和坐标信息一起发送给通信模块；

通信模块接收处理器模块发送的巡迹小车的速度信息、角度信息和坐标信息，上传至上位机；

上位机接收设置的波源频率信息，生成波源参数设置信号发送给模块天体上的多普勒波源模块；接收巡迹小车的速度信息、角度信息和坐标信息进行显示，并根据坐标信息拟合得到巡迹小车的轨迹，通过对比该轨迹与轨道的实际轨迹的相似度，判断得到组合自主导航算法的性能。

本发明组合自主导航系统的地面半物理仿真平台，在平面场地内设置模拟天体和轨道，模块天体上设置有多普勒波源，巡迹小车模拟飞行器以预设速度沿轨道运动，在运动过程中由巡迹小车上搭载的多普勒导航模块和摄像头导航模块分别模拟红移测速导航系统和天文测角导航系统，得到巡迹小车的速度和与模拟天体的角度，再由巡迹小车上的处理器模块计算得到巡迹小车的坐标并上传至上位机，上位机根据坐标信息拟合得到巡迹小车的轨迹，再与轨道的实际轨迹进行对比，通过该轨迹与轨道的实际轨迹的相似度来判断得到组合自主导航算法的性能。本发明通过巡迹小车的运动模拟了飞行器的飞行过程，相对于现有的软件模拟和以计算机为主的半物理模拟，其仿真程度更高，提高了对深空探测飞行环境的模拟精度，从而提高对组合自主导航系统定位、定速能力的评估准确度。

附图说明

图1是本发明组合自主导航系统的地面半物理仿真平台的结构图；

图2是巡迹小车的结构示意图；

图3是巡迹小车与模拟天体角度计算的原理示意图；

图4是摄像头导航模块的结构示意图；

图5是巡迹控制模块的结构示意图；

图6是组合自主导航系统的地面半物理仿真平台的示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是组合自主导航系统的地面半物理仿真平台的结构示意图。如图1所示，本发明组合自主导航系统的地面半物理仿真平台包括模拟天体1、轨道2、巡迹小车3、和上位机4。

模拟天体1的数量根据实际情况设置，至少为两个，模拟天体1在平面场地内固定放置，其位置要求为：巡迹小车3在沿轨道2运动过程中，始终至少有两个模拟天体位于巡迹小车3上搭载的摄像头导航模块32的视场内。模拟天体之间根据颜色或形状区分，每个模拟天体上设置有多普勒波源，多普勒波源的频率和功率根据从上位机接收的波源参数设置信号进行设置。

多普勒波源和巡迹小车3上搭载的多普勒导航模块31配合，根据波的多普勒效应来计算巡迹小车3与模拟天体1之间的相对速度。在常用的波源中，电磁波以光速传播，传播速度快，由于巡迹小车3的移动速度与光速差异大，直接采用电磁波进行多普勒效应会引入较大测量误差。因此在本实施例中，将电磁波替换为超声波，由于超声波速度较低，频率较高，以超声波代替电磁波的多普勒效应更为显著。

轨道2铺设在平面场地内，其轨迹根据实际需要设置。轨道2的材质根据所采用的巡迹方法设置。例如采用电磁巡线方式，那么轨道2为电线，如果采用光电或摄像头的巡线方式，则将轨道2涂成黑色或贴上黑色的胶布即可。

图2是巡迹小车的结构示意图。如图2所示，巡迹小车3上搭载有多普勒导航模块31、摄像头导航模块32、巡迹控制模块33、处理器模块34和通信模块35。

多普勒导航模块31用于模拟红移测速导航系统，它在巡迹小车3运动过程中接收模拟天体1波源所发出的信号，根据多普勒效应计算巡迹小车3相对于模拟天体1的速度，发送给处理器模块34。

摄像头导航模块32用于模拟天文测角导航系统，其视线方向应当与巡迹小车的运动方向相同。摄像头导航模块32在巡迹小车3运动过程中持续拍摄模拟天体1的图像，对图像中的模拟天体1进行识别，根据模拟天体图像在图像中的位置，计算巡迹小车3当前在平面场地中与模拟天体1位置的几何角度，一般来说就是巡迹小车3与模拟天体1中两个模拟天体之间的夹角，发送给处理器模块34。

图3是巡迹小车与模拟天体角度计算的原理示意图。如图3所示，摄像头导航模块32的视线方向始终垂直于所拍摄图像，并且位于所拍摄图像的中心，从图像中可以知道模拟天体1在图像上与图像中线的距离l₁和l₂。由于摄像头导航模块32的视角r和图像的宽度L是已知的，因此就可以求得巡迹小车3与两个模拟天体之间的夹角θ。

图4是摄像头导航模块的结构示意图。本实施例中，摄像头模拟包括CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)摄像头321、图像处理模块322和角度计算模块323。CMOS摄像头321模拟星敏传感器，拍摄用于模拟星点的模拟天体1的图像发送给图像处理模块，图像处理模块322从拍摄图像中识别出模拟天体1，将模块天体在图像中的位置发送给角度计算模块323，角度计算模块323根据模块天体在图像中的位置计算得到巡迹小车3在平面场地中与模拟天体1位置的几何角度。

巡迹控制模块33用于进行对轨道进行路径识别，控制巡迹小车的速度和运动方向，使巡迹小车按照预设速度沿轨道行驶。图5是巡迹控制模块的结构示意图。如图5所示，巡迹控制模块33包括路径识别模块331、电机驱动模块332、舵机驱动模块333和最小系统模块334。

路径识别模块331用于对轨道进行识别，确定巡迹小车3当前运动方向与轨道方向的偏移角度，将偏移角度发送至最小系统模块334。路径识别模块331的具体算法也是根据实际采用的巡迹方法来设置的。本实施例中采用光感巡线方式，路径识别模块331采用线阵列CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)传感器。

电机驱动模块332根据预定速度对巡迹小车3的速度进行闭环控制。

舵机驱动模块333根据方向控制信号控制控制巡迹小车的转向。

最小系统模块334接收路径识别模块331发送的偏移角度，生成方向控制信号发送给舵机驱动模块333。

处理器模块34接收多普勒导航模块31发送的速度信息和摄像头导航模块32发送的角度信息，根据存储的模拟天体1在平面场地中的坐标，调用组合自主导航算法计算巡迹小车3的坐标，并将速度信息、角度信息和坐标信息一起发送给通信模块35。处理器模块34调用的组合自主导航算法即为需要进行定位、定速能力评估的组合自主导航算法，巡迹小车3坐标的具体计算方法是由组合自主导航算法来确定的

通信模块35接收处理器模块34发送的巡迹小车3的速度信息、角度信息和坐标信息，上传至上位机4。通信模块35可以采用有线通信也可以采用无线通信，根据实际情况选择。

上位机4主要进行参数设置、数据处理与显示。包括：接收用户设置的波源频率信息，生成波源参数设置信号发送给模块天体1上的多普勒波源模块；以及接收巡迹小车3的速度信息、角度信息和坐标信息进行显示，并根据坐标信息拟合得到巡迹小车3的轨迹，将运动过程中得到的轨迹与预先存储的轨迹2的实际轨迹进行对比，计算两个轨迹间的相似度，相似度越高，说明组合自主导航算法的性能越好。

为了使实验仿真中的多普勒效应更加明显，还可以根据实际飞行器的飞行速度进行换算得到巡迹小车的速度。

在实际深空探测中，是测量天体发射的电磁波的多普勒效应，电磁波的多普勒频移公式为：

其中，f_m表示接收的波源信号频率，f_o表示波源发射频率，v表示接收器相对于波源的速度，c表示光速，θ表示接收器与波源矢量与接收器运动方向之间的夹角。

在本发明的半物理仿真平台中，如果采用超声波来进行多普勒效应测量。超声波属于机械波，其多谱勒频移公式为：

其中，f_m表示接收的波源信号频率，f_o表示波源发射频率，u表示机械波在媒介的传播速度，v_o表示接收器的速度，β表示接收器与波源矢量与接收器运动方向之间的夹角，v_s表示波源的速度，α表示波源与接收器矢量与波源运动方向之间的夹角。由于本发明中模拟天体是静止的，因此多普勒频移公式可以简化为：

由于在本发明所述的半物理仿真平台中，巡迹小车(模拟飞行器)与波源是相向运动的，因此等比例换算公式有：

其中，v表示实际飞行器的速度，c表示光速，θ表示实际飞行器与实际天体的位置矢量与实际飞行器运动方向之间的夹角；u表示机械波在媒介的传播速度(此处为超声波在空气中的传播速度)，v_o表示巡迹小车的速度，β表示巡迹小车与模拟天体波源矢量与巡迹小车运动方向之间的夹角。

在实际的深空探测任务中，飞行器的飞行速度应当介于第二宇宙速度和第三宇宙速度之间，也即11.2Km/s＜v＜16.7Km/s。由于角度θ和β在仿真之前属未知量，且在整个仿真过程中是变化的，因此在计算巡迹小车速度时，需要人为设定一个值。此处将cosθ和cosβ取为0.92，代入其他的数据，可以得到：当取11.2Km/s时，为0.0138m/s。当取16.7Km/s时，为0.0206m/s。综上，巡迹小车的速度应当介于0.0138m/s-0.0206m/s之间。

图6是组合自主导航系统的地面半物理仿真平台的示例图。如图6所示，本实施例的具体实验场地为矩形，宽6.5米，高3.5米，整个实验场地可以位于一块矩形KT板或泡沫板上。轨道位于虚线三角形内部中心虚线附近，涂刷成黑色，如图6中黑色粗线条所示。模拟天体位于三角形两个顶点的圆上、底边上，或位于三角形内部。三角形底边长AC+BC＝1.5+1＝2.5米，高OC＝6米。这样就可以保证巡迹小车在轨道上运动的过程中，模拟始终位于摄像头的视场内。标准摄像头的视角约为30度左右，远摄镜头视角20度以内，广角镜头视角为90度以上。为了保证通用性，本实施例选择的摄像头的视角为25度。在此三角形中，角AOC约为15度，角BOC约为10度。只要轨道位于OC附近并且弧度很小，即可保证摄像头视角的要求。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种组合自主导航系统的地面半物理仿真平台，其特征在于，包括模拟天体、轨道、巡迹小车和上位机，其中：

模拟天体的数量根据实际情况设置，至少为两个，模拟天体在平面场地内固定放置，其位置要求为：巡迹小车在沿轨道运动过程中，始终至少有两个模拟天体位于巡迹小车上搭载的摄像头模块的视场内；模拟天体之间根据颜色或形状区分，每个模拟天体上设置有多普勒波源模块，多普勒波源的频率根据从上位机接收的波源参数设置信号进行设置；

轨道铺设在平面场地内，其轨迹根据实际需要设置；

巡迹小车上搭载有多普勒导航模块、摄像头导航模块、巡迹控制模块、处理器模块和通信模块，其中：

多普勒导航模块在巡迹小车运动过程中接收模拟天体波源所发出的信号，根据多普勒效应计算巡迹小车相对于各个模拟天体的速度，发送给处理器模块；

摄像头导航模块的视线方向与巡迹小车的运动方向相同，在巡迹小车运动过程中持续拍摄模拟天体的图像，对图像中的模拟天体进行识别，根据模拟天体图像在图像中的位置，计算巡迹小车当前在平面场地中与模拟天体位置的几何角度，发送给处理器模块；

巡迹控制模块对轨道进行路径识别，控制巡迹小车的速度和运动方向，使巡迹小车按照预设速度沿轨道行驶；巡迹控制模块包括路径识别模块、电机驱动模块、舵机驱动模块和最小系统模块，其中：

路径识别模块对轨道进行识别，确定巡迹小车当前运动方向与轨道方向的偏移角度，将偏移角度发送至最小系统模块；

电机驱动模块根据预定速度对巡迹小车的速度进行闭环控制；

舵机驱动模块根据方向控制信号控制巡迹小车的转向；

最小系统模块接收路径识别模块发送的偏移角度，生成方向控制信号发送给舵机驱动模块；

处理器模块接收多普勒导航模块发送的速度信息和摄像头导航模块发送的角度信息，根据存储的模拟天体在平面场地中的坐标，调用组合自主导航算法计算巡迹小车的坐标，并将速度信息、角度信息和坐标信息一起发送给通信模块；

通信模块接收处理器模块发送的巡迹小车的速度信息、角度信息和坐标信息，上传至上位机；

上位机接收设置的波源频率信息，生成波源参数设置信号发送给模拟天体上的多普勒波源模块；接收巡迹小车的速度信息、角度信息和坐标信息进行显示，并根据坐标信息拟合得到巡迹小车的轨迹，通过对比该轨迹与轨道的实际轨迹的相似度，判断得到组合自主导航算法的性能。

2.根据权利要求1所述的地面半物理仿真平台，其特征在于，所述摄像头模块包括CMOS摄像头、图像处理模块和角度计算模块，其中CMOS摄像头拍摄模拟天体的图像发送给图像处理模块，图像处理模块从拍摄图像中识别出模拟天体，将模拟天体在图像中的位置发送给角度计算模块，角度计算模块根据模拟天体在图像中的位置计算得到巡迹小车在平面场地中与模拟天体位置的几何角度。

3.根据权利要求1或2所述的地面半物理仿真平台，其特征在于，所述多普勒波源采用超声波波源。

4.根据权利要求3所述的地面半物理仿真平台，其特征在于，所述巡迹小车的预设速度通过以下换算公式得到：

其中，v表示实际飞行器的速度，c表示光速，θ表示实际飞行器与实际天体的位置矢量与实际飞行器运动方向之间的夹角；u表示超声波在空气中的传播速度，v_o表示巡迹小车的速度，β表示巡迹小车与模拟天体波源矢量与巡迹小车运动方向之间的夹角。