CN105589997B - 基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统 - Google Patents

基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统，其中的方法包括：采用蒙特卡罗算法对获取的地表等高图的障碍阀值分割图和地表高程图的等高线图进行仿真，获取探测器安全着陆预选区域；将地表高程图转化为二维二值矩阵，利用蒙特卡罗算法对随机提取的二维二值矩阵的矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率；拟合平面斜率的最小值所对应的区域为探测器安全着陆区域，所对应的中心点为探测器安全着陆点；根据安全着陆预选区域、拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域以及探测器安全着陆的条件，获取探测器安全着陆的最优区域。利用本发明，能够解决探测器传统搜索方法耗时长、遗漏等问题。

Description

基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，更为具体地，涉及一种基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统。
背景技术
安全区域搜索是一种重要的搜索方法，在航空航天中广泛应用，特别是在地外天体的探测中更是起到了至关重要的作用，发展成为地外天体探测抽样返回和载人登陆探测器返回中的一项关键技术。但是安全区域搜索很难实现全局的最优，在很大程度上确定的安全区域精度不高、花费的时间较长，增大了着陆的风险。
为解决这些不足，许多的学者提出了各种不同的安全区域搜索方法，目前已有的搜索方法，如：螺旋式搜索和发散式搜索。螺旋式搜索方法的缺点在于只找到了安全着陆区域，并没有找到全局最优的安全区域，而且花费的时间较长，不利于探测器节省燃料；发散式搜索的缺点在于搜索没有覆盖整个区域，容易在矩形的两条对角线上造成检测区域遗漏。
因此，本发明提供一种基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统解决上述问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统，以解决探测器传统的搜索方法耗时长、遗漏等问题。
本发明提供一种基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法，包括：
对采集的目标天体的地表高程图进行障碍阀值分割，获取所述地表高程图的障碍阀值分割图，其中，所述地表高程图采用双峰法和最大类间方差法进行分割；
对所述地表高程图进行二值化等高线数值仿真，获取所述地表高程图的等高线图；
采用蒙特卡罗算法对获取的地表高程图的障碍阀值分割图和地表高程图的等高线图进行仿真，获取探测器安全着陆预选区域；
将所述地表高程图转化为二维二值矩阵，利用蒙特卡罗算法对随机提取的所述二维二值矩阵的矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率；
所述拟合平面斜率的最小值所对应的区域为探测器安全着陆区域，所对应的中心点为探测器安全着陆点；
根据所述探测器安全着陆预选区域、所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域以及探测器安全着陆的条件，获取探测器安全着陆的最优区域。
本发明还提供一种基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索系统，包括：
障碍阀值分割图获取单元，用于对采集的目标天体的地表高程图进行障碍阀值分割，获取所述地表高程图的障碍阀值分割图，其中，所述地表高程图采用双峰法和最大类间方差法进行分割；
等高线图获取单元，用于对所述地表高程图进行二值化等高线数值仿真，获取所述地表高程图的等高线图；
探测器安全着陆预选区域获取单元，用于采用蒙特卡罗算法对获取的地表高程图的障碍阀值分割图和地表高程图的等高线图进行仿真，获取探测器安全着陆预选区域；
拟合平面斜率获取单元，用于将所述地表高程图转化为二维二值矩阵，利用蒙特卡罗算法对随机提取的所述二维二值矩阵的矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率；
探测器安全着陆区域确定单元，用于所述拟合平面斜率的最小值所对应的区域为探测器安全着陆区域，所对应的中心点为探测器安全着陆点；
探测器安全着陆的最优区域获取单元，用于根据所述探测器安全着陆预选区域、所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域以及探测器安全着陆的条件，获取探测器安全着陆的最优区域。
从上面的技术方案可知，本发明提供的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统，利用蒙特卡罗算法，在有限个约束条件下的高程图全局最优安全区域搜索方法，以此确定深空探测器的最佳着落区域。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法流程示意图；
图2为根据本发明实施例的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索系统结构框图。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。
针对前述提出的现有的探测技术确定的安全区域精度不高、话费的时间较长等问题，本发明提出了一种基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统，利用蒙特卡罗算法确定深空探测器的最佳着落区域。
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
为了说明本发明提供的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法，图1示出了根据本发明实施例的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法流程。
如图1所示，本发明提供的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法包括：S110：对采集的目标天体的地表高程图进行障碍阀值分割，获取所述地表高程图的障碍阀值分割图，其中，所述地表高程图采用双峰法和最大类间方差法进行分割；
S120：对所述地表高程图进行二值化等高线数值仿真，获取所述地表高程图的等高线图；
S130：采用蒙特卡罗算法对获取的地表高程图的障碍阀值分割图和地表高程图的等高线图进行仿真，获取探测器安全着陆预选区域；
S140：将所述地表高程图转化为二维二值矩阵，利用蒙特卡罗算法对随机提取的所述二维二值矩阵的矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率；
S150：所述拟合平面斜率的最小值所对应的区域为探测器安全着陆区域，所对应的中心点为探测器安全着陆点；
S160：根据所述探测器安全着陆预选区域、所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域以及探测器安全着陆的条件，获取探测器安全着陆的最优区域。
具体地，上述步骤S140中，不重复的随机产生像素矩阵元素i、j形成实数对(i，j)；以矩阵中i、j为下标的元素aij为中心点，提取aij为几何中心的周围100*100的矩阵元素。
利用蒙特卡罗算法内置regress函数对提取的所述矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面的斜率，并保存拟合平面的斜率；保存的平面拟合斜率最小值所对应的区域即为安全区域，对应的中心点即为安全着陆点。
其中，如果拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域在探测器安全着陆预选区域内，则拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域为探测器安全着陆的最优区域；如果拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域不在探测器安全着陆预选区域内，则继续随机提取矩阵元素直至获取到探测器安全着陆的最优区域。
也就是说，如果区域满足安全着陆条件，则该区域为安全着陆区域，为精确着落点。如果区域不满足安全着陆的条件，则继续循环随机获取矩阵元素，直至获取精确的着落点。
其中，需要说明的是，探测器安全着陆的条件，着陆的坡角的值＜8°、着陆的凸起或凹起小于20cm以及着陆的最小平面的直径小于3650mm；其中平面的坡角计算公式如下：
其中，α为坡角，Z高为拟合平面最高点z轴数值，Z低为拟合平面最低点z轴数值，X高拟合平面最高点x轴数值,X低拟合平面最低点x轴数值。
在本发明的一个具体的实施例中，本发明提供的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法包括：
(1)对探测器采集的目标天体的地表高程图进行障碍阀值分割。
(2)对高程图分别进行双峰法和最大类间方差法图像分割。
(3)利用Matlab对地表高程图进行等高线数值仿真。
(4)将高程图转化为二维二值矩阵。
(5)不重复的随机产生像素矩阵元素i，j；形成实数对(i,j)。
(6)以矩阵中i，j为下标的元素aij为中心点，提取aij为几何中心的周围100*100的矩阵元素。
(7)利用Matlab内置regress函数对提取的矩阵元素进行平面拟合，保存拟合平面的斜率。
(8)保存的平面拟合斜率最小值所对应的区域即为安全区域，对应的中心点即为安全着陆点。如果区域满足安全着陆条件，则该区域为安全着陆区域，aij为精确着落点。
(9)如果区域不满足安全着陆的条件，则继续循环(5)到(8)的步骤。
以探测器在月球表面着陆的安全区域搜索进行实验，经过有限次的迭代得到安全着陆点的坐标为(434,139)，安全区域平面拟合方程为：
Z＝94.7082+0.0402x-0.1643y
对精选的安全区域的坡角进行计算，其过程如下：
则α＝arctan0.071406＝0.0713rad＝4.0852°
从实验结果来看，计算得到的安全区域的平面拟合的坡角为4.0852°＜8°，则满足探测器安全着陆的要求，同时与传统的搜索方法相比，节约了搜索时间，减少了燃料消耗，降低了着落风险。
与上述方法相对应，本发明还提供一种基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法，图2示出了根据本发明实施例的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索系统逻辑结构。
如图2所示，本发明提供的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索系统200包括：障碍阀值分割图获取单元210、等高线图获取单元220、探测器安全着陆预选区域获取单元230、拟合平面斜率获取单元240、探测器安全着陆区域确定单元250、探测器安全着陆的最优区域获取单元260。
具体地，障碍阀值分割图获取单元210用于对采集的目标天体的地表高程图进行障碍阀值分割，获取所述地表高程图的障碍阀值分割图，其中，所述地表高程图采用双峰法和最大类间方差法进行分割；
等高线图获取单元220用于对所述地表高程图进行二值化等高线数值仿真，获取所述地表高程图的等高线图；
探测器安全着陆预选区域获取单元230用于采用蒙特卡罗算法对获取的地表高程图的障碍阀值分割图和地表高程图的等高线图进行仿真，获取探测器安全着陆预选区域；
拟合平面斜率获取单元240用于将所述地表高程图转化为二维二值矩阵，利用蒙特卡罗算法对随机提取的所述二维二值矩阵的矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率；
探测器安全着陆区域确定单元250用于所述拟合平面斜率的最小值所对应的区域为探测器安全着陆区域，所对应的中心点为探测器安全着陆点；
探测器安全着陆的最优区域获取单元260用于根据所述探测器安全着陆预选区域、所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域以及探测器安全着陆的条件，获取探测器安全着陆的最优区域。
其中，拟合平面斜率获取单元240在将所述地表高程图转化为二维二值矩阵，利用蒙特卡罗算法对随机提取的所述二维二值矩阵的矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率的过程中，
不重复的随机产生像素矩阵元素i、j形成实数对(i，j)；
以矩阵中i、j为下标的元素aij为中心点，提取aij为几何中心的周围100*100的矩阵元素；
利用蒙特卡罗算法内置regress函数对提取的所述矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率。
其中，所述探测器安全着陆的最优区域获取单元260如果所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域在所述探测器安全着陆预选区域内，则所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域为探测器安全着陆的最优区域；
如果所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域不在所述探测器安全着陆预选区域内，则继续随机提取矩阵元素直至获取到探测器安全着陆的最优区域。
探测器安全着陆的最优区域获取单元260中的探测器安全着陆的条件：
着陆的坡角的值＜8°、着陆的凸起或凹起小于20mm以及着陆的最小平面的直径小于3650mm；
其中平面的坡角计算公式如下：
其中，α为坡角，Z高为拟合平面最高点z轴数值，Z低为拟合平面最低点z轴数值，X高为拟合平面最高点x轴数值，X低为拟合平面最低点x轴数值。
通过上述实施方式可以看出，本发明提供的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统，利用蒙特卡罗算法，确定深空探测器的最佳着落区域，解决探测器传统的搜索方法耗时长、遗漏等问题。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法及系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (8)

1.一种基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法，包括：
对采集的目标天体的地表高程图进行障碍阀值分割，获取所述地表高程图的障碍阀值分割图，其中，所述地表高程图采用双峰法和最大类间方差法进行分割；
对所述地表高程图进行二值化等高线数值仿真，获取所述地表高程图的等高线图；
采用蒙特卡罗算法对获取的地表高程图的障碍阀值分割图和地表高程图的等高线图进行仿真，获取探测器安全着陆预选区域；
将所述地表高程图转化为二维二值矩阵，利用蒙特卡罗算法对随机提取的所述二维二值矩阵的矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率；
所述拟合平面斜率的最小值所对应的区域为探测器安全着陆区域，所对应的中心点为探测器安全着陆点；
根据所述探测器安全着陆预选区域、所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域以及探测器安全着陆的条件，获取探测器安全着陆的最优区域。
2.如权利要求1所述的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法，其中，在将所述地表高程图转化为二维二值矩阵，利用蒙特卡罗算法对随机提取的所述二维二值矩阵的矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面的斜率的过程中，
不重复的随机产生像素矩阵元素i、j形成实数对(i，j)；
以矩阵中i、j为下标的元素aij为中心点，提取aij为几何中心的周围100*100的矩阵元素；
利用蒙特卡罗算法内置regress函数对提取的所述矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面的斜率。
3.如权利要求1所述的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法，其中，
如果所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域在所述探测器安全着陆预选区域内，则所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域为探测器安全着陆的最优区域；
如果所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域不在所述探测器安全着陆预选区域内，则继续随机提取矩阵元素直至获取到探测器安全着陆的最优区域。
4.如权利要求1所述的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索方法，其中，所述探测器安全着陆的条件，着陆的坡角的值＜8°、着陆的凸起或凹起小于20cm以及着陆的最小平面的直径小于3650mm；
其中平面的坡角计算公式如下：
其中，α为坡角；Z高为拟合平面最高点z轴数值；Z低为拟合平面最低点z轴数值；X高为拟合平面最高点x轴数值；X低为拟合平面最低点x轴数值。
5.一种基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索系统，包括
障碍阀值分割图获取单元，用于对采集的目标天体的地表高程图进行障碍阀值分割，获取所述地表高程图的障碍阀值分割图，其中，所述地表高程图采用双峰法和最大类间方差法进行分割；
等高线图获取单元，用于对所述地表高程图进行二值化等高线数值仿真，获取所述地表高程图的等高线图；
探测器安全着陆预选区域获取单元，用于采用蒙特卡罗算法对获取的地表高程图的障碍阀值分割图和地表高程图的等高线图进行仿真，获取探测器安全着陆预选区域；
拟合平面斜率获取单元，用于将所述地表高程图转化为二维二值矩阵，利用蒙特卡罗算法对随机提取的所述二维二值矩阵的矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率；
探测器安全着陆区域确定单元，用于所述拟合平面斜率的最小值所对应的区域为探测器安全着陆区域，所对应的中心点为探测器安全着陆点；
探测器安全着陆的最优区域获取单元，用于根据所述探测器安全着陆预选区域、所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域以及探测器安全着陆的条件，获取探测器安全着陆的最优区域。
6.如权利要求5所述的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索系统，其中，所述拟合平面斜率获取单元在将所述地表高程图转化为二维二值矩阵，利用蒙特卡罗算法对随机提取的所述二维二值矩阵的矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率的过程中，
不重复的随机产生像素矩阵元素i、j形成实数对(i，j)；
以矩阵中i、j为下标的元素aij为中心点，提取aij为几何中心的周围100*100的矩阵元素；
利用蒙特卡罗算法内置regress函数对提取的所述矩阵元素进行平面拟合，获取拟合平面斜率。
7.如权利要求5所述的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索系统，其中，
所述探测器安全着陆的最优区域获取单元如果所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域在所述探测器安全着陆预选区域内，则所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域为探测器安全着陆的最优区域；
如果所述拟合平面斜率获取的探测器安全着陆区域不在所述探测器安全着陆预选区域内，则继续随机提取矩阵元素直至获取到探测器安全着陆的最优区域。
8.如权利要求5所述的基于蒙特卡罗算法的高程图安全区域搜索系统，其中，所述探测器安全着陆的最优区域获取单元中的探测器安全着陆的条件：
着陆的坡角的值＜8°、着陆的凸起或凹起小于20cm以及着陆的最小平面的直径小于3650mm；
其中平面的坡角计算公式如下：
其中，α为坡角；Z高为拟合平面最高点z轴数值；Z低为拟合平面最低点z轴数值；X高为拟合平面最高点x轴数值；X低为拟合平面最低点x轴数值。
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