CN110647159A - 一种月球软着陆精确避障异构备份方法 - Google Patents
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Abstract
一种月球软着陆精确避障异构备份方法，该方法包括：(1)基于分时复用的系统硬件组态设计。对探测器软着陆飞行轨迹进行曲线特征提取，得到主减速段之后探测器以垂直姿态下降的特征曲线，进而得到成像式敏感器视场指向与探测器标称下降速度方向一致。对探测器软着陆过程中的飞行任务功能剖面进行时序特征提取，得到下降过程中按时间历程依次为粗避障段和精确避障段。(2)基于并行分布式信息处理的精避障自主重构时序设计方法。基于可并行计算的硬件基础，在精避障过程中，GNCC用于进行避障时序的控制和主动获取图像处理板的处理状态信息；图像处理板用于进行地形障碍识别计算，并将安全点信息发送给GNCC，两者工作在分布式并行计算模式下，实现精避障异构备份功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种月球软着陆精确避障异构备份方法，特别是将光学体制与激光体制成像敏感器组合为异构备份的系统优化配置策略，以及基于并行分布式信息处理的精避障时序设计方法。
背景技术
我国嫦娥四号着陆器在月球软着陆过程中，经主减速段、接近下降段飞行，进入100m高度的悬停段。正常情况下着陆器通过激光三维成像敏感器获取视场内着陆区地形特征信息，并计算出安全着陆点，完成精确避障。当激光三维成像敏感器发生故障时，如果没有备份策略，则着陆器会因无法获取障碍地形特征信息，导致精避障失败，影响着陆安全。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种月球软着陆精确避障异构备份方法，通过对探测器飞行轨迹的曲线特征提取和飞行功能剖面的时序特征提取，实现系统硬件资源的优化配置，将接近段粗避障中使用的光学成像敏感器复用于精避障过程，与激光三维成像敏感器构成不同成像体制的异构备份组态；通过基于并行分布式信息处理的精避障时序设计，实现激光三维成像敏感器精避障失败后的自主重构，使用光学成像敏感器进行精避障地形识别，解决了着陆器精避障无备份策略的问题，加强了故障容限能力，提高了着陆安全性。
本发明的技术方案是：一种月球软着陆精确避障异构备份方法，步骤如下：
(1)对探测器在主减速之后的飞行轨迹进行曲线特征提取得到探测器垂直下降轨迹，计算得到探测器标称下降速度方向；配置一台光学成像敏感器和一台激光三维成像敏感器，并设计使两者视场的光轴指向一致，并与探测器标称下降速度方向一致；
(2)在精避障阶段，定义满足激光三维成像条件为计时零点，在计时零点中心控制单元计算机向图像处理板发送激光三维成像敏感器成像指令；
(3)中心控制单元计算机在某一时刻T1向图像处理板发送激光三维成像敏感器数据指令，包括姿态信息、导航信息，同时记录器上时间码、姿态四元数、惯性系位置数据；
(4)中心控制单元计算机从某一时刻T2，开始每周期向图像处理板发送一次着陆点信息获取指令，记每周期时间间隔为Δt；设置计时器TimeCycTDI初值为0，计数器NcountTDI初值为0，执行步骤(5)；T2＞T1；
(5)计算TimeCycTDI＝T2+NcountTDI×Δt并判断：如果TimeCycTDI≤T3且得到图像处理板回答信息为正在处理中，则继续每周期向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时NcountTDI＝NcountTDI+1，重复步骤(5)；如果TimeCycTDI≤T3且得到图像处理板回答信息为安全点单位矢量数据，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，执行步骤(12)且不执行步骤(13)；如果TimeCycTDI≤T3且得到图像处理板回答信息为激光三维精避障失败信息，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置激光三维精避障失败标志信息,执行步骤(6)；如果TimeCycTDI>T3，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置激光三维精避障失败标志信息,执行步骤(6)；
(6)如果为第一次激光三维精避障失败，则重复步骤(2)～(5)1次；如果再次激光三维精避障失败，则执行步骤(7)～(11)；
(7)假设图像处理板进行图像处理所花费的计算时长最小估计值为IMGmin，最大估计值为IMGmax，则定义n2为IMGmin/Δt计算结果向上取整后的数值，n3为(IMGmax-n2×Δt)/Δt计算结果向上取整后的数值；
(8)当激光三维成像敏感器连续两次无法计算出安全着陆点时，则启动光学成像敏感器精避障流程，立光学精避障启动标志信息，启动光学精避障流程，重新定义此时为计时零点；
(9)在启动光学成像敏感器精避障流程后的第n1×Δt发送光学成像敏感器成像指令，同时记录指令发出的器上时间码；n1通常取值为1；
(10)从启动光学成像敏感器精避障流程后的n2×Δt时刻开始，中心控制单元计算机每周期向图像处理板发送一次着陆点信息获取指令；设置计数器TimeCycOI初值为0，计数器NcountOI初值为0；执行步骤(11)；
(11)计算TimeCycOI＝(n2+NcountOI)×Δt并判断：如果TimeCycOI≤n3×Δt且得到图像处理板回答信息为正在处理中，则继续每周期向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时NcountOI＝NcountOI+1，重复步骤(11)；如果TimeCycOI≤n3×Δt且得到图像处理板回答信息为安全点单位矢量数据，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，执行步骤(12)；如果TimeCycOI≤n3×Δt且得到图像处理板回答信息为光学精避障失败信息，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置光学精避障失败标志信息，执行步骤(12)；如果TimeCycOI>n3×Δt，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置光学精避障失败标志信息，执行步骤(12)；
(12)中心控制单元计算机向图像处理板发送激光三维成像敏感器传图指令；
(13)中心控制单元计算机向图像处理板发送光学成像敏感器传图指令。
本发明与现有技术相比的优点在于：
目前我国的月球软着陆探测器动力下降分为以下几个阶段：按着陆过程依次为主减速段、接近下降段、悬停段、避障段和缓速下降段。为了实现月球探测器安全软着陆，需要对着陆区进行安全点识别，得到月面地形起伏信息，通过避障段平移机动使探测器着陆到安全着陆点。在动力下降过程中，现有技术针对相对比较平坦的月球正面着陆区，在接近段利用光学成像敏感器进行粗避障安全点识别，获得较大范围内的安全点信息，获取粗避障安全点后，探测器通过粗避障机动至安全区域上方100m高度，之后进入悬停段。在悬停段利用激光三维成像敏感器进行精避障安全点识别，识别成功后得到精确的安全点信息，获取精避障安全点信息后，探测器进入避障段运动至安全区域上方约30m高度，之后进入缓速下降段，软着陆至月面。由于月球正面着陆区十分平坦，即使精避障安全点识别失败，则可着陆在预设安全点，可能造成探测器着陆姿态指标超差，但不会导致软着陆任务失败。
本发明中的技术，是针对嫦娥四号月球探测器着陆月球背面的工程任务提出的。采用了接近段使用光学成像敏感器进行粗避障，悬停段使用激光三维成像敏感器作为主份敏感器进行安全点识别，将接近段中使用光迅成像敏感器作为备份敏感器，提高悬停段安全点识别成功率，提高探测器软着陆安全性和可靠性。具体来说，本技术首先根据探测器动力下降过程中，在接近段和悬停段运动轨迹为垂直下降的曲线特征，设计光学成像敏感器和激光三维成像敏感器的视场光轴指向均为与下降速度方向一致。其次是设计了基于并行分布式处理的精避障自主重构软件执行时序。本发明的技术，充分利用了月球探测器导航、制导与控制分系统同时拥有两个智能运算单元(中心控制单元和图像处理板)的硬件资源，在现有精避障软件执行时序的基础上，增加了安全点获取结果的自诊断逻辑，还增加了光学成像敏感器备份精避障执行时序的自启动与控制。
相比月球正面十分平坦的着陆区来说，月球背面着陆区地形环境极其恶劣，可供探测器软着陆的区域十分狭小，且遍布撞击坑和月岩石块。在这种条件下，要求探测器制导、导航与控制系统在悬停段保证安全点识别的成功率。现有技术在激光三维成像敏感器安全点获取失败后，则无法再次进行安全点识别，不能满足月球背面崎岖地形环境的软着陆障碍识别的需求。
本发明提出的技术，在探测器重量、功耗和系统配置的约束下，通过复用接近段光学成像敏感器作为悬停段精避障备份敏感器，解决了现有技术在悬停段精避障只能依赖激光三维成像敏感器进行安全点信息获取的不足，有效提高了悬停段精避障安全点获取与识别的成功率，大大提高了探测器软着陆的可靠性和安全性，适应于月球背面崎岖地形条件下的可靠软着陆任务。
附图说明
图1为本发明探测器动力下降飞行轨迹；
图2为本发明精避障异构备份策略时序图。
具体实施方式
本发明一种月球软着陆精确避障异构备份方法，该方法包括：(1)基于分时复用的系统硬件组态设计。对探测器软着陆飞行轨迹进行曲线特征提取，得到主减速段之后探测器以垂直姿态下降的特征曲线，进而得到成像式敏感器视场指向与探测器标称下降速度方向一致(指向向下)。对探测器软着陆过程中的飞行任务功能剖面进行时序特征提取，得到下降过程中按时间历程依次为粗避障段和精确避障段。考虑系统配置的冗余度要求和可靠性要求，采用光学体制成像敏感器(简称OI)作为粗避障过程中的成像敏感器；采用激光体制三维成像敏感器(简称TDI)作为精确避障过程中的主份敏感器，采用光学体制成像敏感器作为精避障备份敏感器。(2)基于并行分布式信息处理的精避障自主重构时序设计方法。探测器GNC分系统配置了可并行计算的智能运算单元包括：中心控制单元计算机模块(简称GNCC)和图像处理板。基于可并行计算的硬件基础，在精避障过程中，GNCC用于进行避障时序的控制和主动获取图像处理板的处理状态信息；图像处理板用于进行地形障碍识别计算，并将安全点信息发送给GNCC，两者工作在分布式并行计算模式下，实现精避障异构备份功能。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。
(1)对探测器在主减速之后的飞行轨迹进行曲线特征提取得到探测器垂直下降轨迹，计算得到探测器标称下降速度方向；配置一台光学成像敏感器和一台激光三维成像敏感器，并设计使两者视场的光轴指向一致，并与探测器标称下降速度方向一致。对飞行功能剖面进行分析，可得到探测器动力下降过程依次为主减速段、接近段、悬停段、避障段和缓速下降段。接近段和悬停段的时序特点使得光学成像敏感器在执行完接近段粗避障任务后，可复用于悬停段精避障任务，与激光三维成像敏感器构成备份组态。精避障阶段软件执行时序为步骤(2)～(14)；
(2)在精避障阶段，判断满足激光三维成像条件为计时零点，在第0ms中心控制单元计算机模块向图像处理板发送激光三维成像敏感器成像指令；
(3)中心控制单元计算机模块在T1时刻向图像处理板发送激光三维成像敏感器数据指令，包括姿态信息、导航信息，同时记录器上时间码、姿态四元数、惯性系位置数据，用于进行安全点计算；
(4)中心控制单元计算机模块从T2时刻开始每周期向图像处理板发送着陆点信息获取指令，记每周期时间间隔为Δt。设置计数器TimeCycTDI初值为0，NcountTDI初值为0；执行步骤(5)；
(5)计算TimeCycTDI＝T2+NcountTDI×Δt并判断：如果TimeCycTDI≤T3且得到图像处理板回答信息为正在处理中，则继续每周期向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时NcountTDI＝NcountTDI+1，重复步骤(5)；否则如果TimeCycTDI≤T3且得到图像处理板回答信息为安全点单位矢量数据，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令。此时激光三维成像敏感器安全点获取成功，未启动光学成像敏感器安全点获取流程，不用传输光学成像敏感器图像，执行步骤(12)且不执行步骤(13)；否则如果TimeCycTDI≤T3且得到图像处理板回答信息为激光三维精避障失败信息，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置激光三维精避障失败标志信息，执行步骤(6)；否则如果TimeCycTDI>T3，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置激光三维精避障失败标志信息,执行步骤(6)；
(6)如果为第一次激光三维精避障失败，则重复步骤(2)～(6)1次；否则如果再次激光三维精避障失败，则执行步骤(7)～(11)；
(7)将一个控制周期时间间隔记为Δt，假设图像处理板进行图像处理所花费的计算时长最小估计值为IMGmin，最大估计值为IMGmax，则n2为IMGmin/Δt计算结果向上取整后的数值，n3为(IMGmax-n2×Δt)/Δt计算结果向上取整后的数值；
(8)当激光三维成像敏感器连续两次无法计算出安全着陆点时，则启动光学成像敏感器精避障流程，立光学精避障启动标志信息，启动光学精避障流程，重新定义此时为计时零点；
(9)在启动光学成像敏感器精避障流程后的n1×Δt时刻发送光学成像敏感器成像指令，同时记录指令发出的器上时间码；n1通常取值为1。
(10)从启动光学成像敏感器精避障流程后的n2×Δt时刻开始，中心控制单元计算机模块向图像处理板周期性发送着陆点信息获取指令。设置计数器TimeCycOI初值为0，NcountOI初值为0；执行步骤(12)
(11)计算TimeCycOI＝(n2+NcountOI)×Δt并判断：如果TimeCycOI≤n3×Δt且得到图像处理板回答信息为正在处理中，则继续每周期向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时NcountOI＝NcountOI+1，重复步骤(11)；否则如果TimeCycOI≤n3×Δt且得到图像处理板回答信息为安全点单位矢量数据，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，执行步骤(12)；否则如果TimeCycOI≤n3×Δt且得到图像处理板回答信息为光学精避障失败信息，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置光学精避障失败标志信息，执行步骤(12)；否则如果TimeCycOI>n3×Δt，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置光学精避障失败标志信息，执行步骤(12)；
(12)中心控制单元计算机模块向图像处理板发送激光三维成像敏感器传图指令，通过探测器与地面站的数据传输通道获取实际图像数据，用于地面对激光三维成像敏感器所拍图像进行评估；
(13)中心控制单元计算机模块向图像处理板发送光学成像敏感器传图指令，通过探测器与地面站的数据传输通道获取实际图像数据，用于地面对光学成像敏感器所拍图像进行评估。
实施例：
(1)根据图1探测器动力下降飞行轨迹，在主减速之后，接近下降段和悬停段，探测器以垂直姿态沿直线下降即速度方向与探测器机械系-X向一致，则设计光学成像敏感器和激光三维成像敏感器的视场指向在探测器机械系下的矢量分别为：uOI＝[-1 0 0]T，uTDI＝[-1 0 0]T；
(2)根据图2的时序图，在精避障阶段，判断满足激光三维成像条件为计时零点，在第0ms中心控制单元计算机模块向图像处理板发送激光三维成像敏感器成像指令；
(3)中心控制单元计算机模块在3072ms向图像处理板发送激光三维成像敏感器数据指令，包括姿态信息、导航信息，同时记录器上时间码、姿态四元数、惯性系位置数据；
(4)中心控制单元计算机模块从5376ms时刻开始，每间隔128ms向图像处理板发送一次着陆点信息获取指令。设置计时器TimeCycTDI初值为0，NcountTDI初值为0，；执行步骤(5)；
(5)计算TimeCycTDI＝5376+NcountTDI×128并判断：如果TimeCycTDI≤12032且得到图像处理板回答信息为正在处理中，则继续每周期向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时NcountTDI＝NcountTDI+1，重复步骤(5)；否则如果TimeCycTDI≤12032且得到图像处理板回答信息为安全点单位矢量数据，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，执行步骤(11)且不执行步骤(12)；否则如果TimeCycTDI≤12032且得到图像处理板回答信息为激光三维精避障失败信息，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置激光三维精避障失败标志信息,执行步骤(6)；否则如果TimeCycTDI>12032，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置激光三维精避障失败标志信息,执行步骤(6)；
(6)如果为第一次激光三维精避障失败，则重复步骤(2)～(6)1次；否则如果再次激光三维精避障失败，则执行步骤(7)～(10)；
(7)当激光三维成像敏感器连续两次无法计算出安全着陆点时，则启动光学成像敏感器精避障流程，立光学精避障启动标志信息，启动光学精避障流程，重新定义此时为计时零点；
(8)在启动光学成像敏感器精避障流程后的0ms发送光学成像敏感器成像指令，同时记录指令发出的器上时间码。
(9)从启动光学成像敏感器精避障流程后的1664ms时刻开始，中心控制单元计算机模块每周期向图像处理板发送一次着陆点信息获取指令。设置计数器TimeCycOI初值为0，NcountOI初值为0；执行步骤(10)
(10)计算TimeCycOI＝1664+NcountOI×128并判断：如果TimeCycOI≤6784且得到图像处理板回答信息为正在处理中，则继续每周期向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时NcountOI＝NcountOI+1，重复步骤(10)；否则如果TimeCycOI≤6784且得到图像处理板回答信息为安全点单位矢量数据，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，执行步骤(11)；否则如果TimeCycOI≤6784且得到图像处理板回答信息为光学精避障失败信息，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置光学精避障失败标志信息，执行步骤(11)；否则如果TimeCycOI>6784，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置光学精避障失败标志信息，执行步骤(11)；
(11)中心控制单元计算机模块向图像处理板发送激光三维成像敏感器传图指令；
(12)中心控制单元计算机模块向图像处理板发送光学成像敏感器传图指令。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种月球软着陆精确避障异构备份方法，其特征在于步骤如下：
(1)对探测器在主减速之后的飞行轨迹进行曲线特征提取得到探测器垂直下降轨迹，计算得到探测器标称下降速度方向；配置一台光学成像敏感器和一台激光三维成像敏感器；
(2)在精避障阶段，定义满足激光三维成像条件为计时零点，在计时零点中心控制单元计算机向图像处理板发送激光三维成像敏感器成像指令；
(3)中心控制单元计算机在某一时刻T1向图像处理板发送激光三维成像敏感器数据指令；
(4)中心控制单元计算机从某一时刻T2，开始每周期向图像处理板发送一次着陆点信息获取指令，记每周期时间间隔为Δt；设置计时器TimeCycTDI初值为0，计数器NcountTDI初值为0，执行步骤(5)；T2＞T1；
(5)计算TimeCycTDI＝T2+NcountTDI×Δt并判断：如果TimeCycTDI≤T3且得到图像处理板回答信息为正在处理中，则继续每周期向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时NcountTDI＝NcountTDI+1，重复步骤(5)；如果TimeCycTDI≤T3且得到图像处理板回答信息为安全点单位矢量数据，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，执行步骤(12)且不执行步骤(13)；如果TimeCycTDI≤T3且得到图像处理板回答信息为激光三维精避障失败信息，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置激光三维精避障失败标志信息,执行步骤(6)；如果TimeCycTDI>T3，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置激光三维精避障失败标志信息,执行步骤(6)；
(6)如果为第一次激光三维精避障失败，则重复步骤(2)～(5)1次；如果再次激光三维精避障失败，则执行步骤(7)～(11)；
(7)设图像处理板进行图像处理所花费的计算时长最小估计值为IMGmin，最大估计值为IMGmax，则定义n2为IMGmin/Δt计算结果向上取整后的数值，n3为(IMGmax-n2×Δt)/Δt计算结果向上取整后的数值；
(8)当激光三维成像敏感器连续两次无法计算出安全着陆点时，则启动光学成像敏感器精避障流程，立光学精避障启动标志信息，启动光学精避障流程，重新定义此时为计时零点；
(9)在启动光学成像敏感器精避障流程后的第n1×Δt发送光学成像敏感器成像指令，同时记录指令发出的器上时间码；
(10)从启动光学成像敏感器精避障流程后的n2×Δt时刻开始，中心控制单元计算机每周期向图像处理板发送一次着陆点信息获取指令；设置计数器TimeCycOI初值为0，计数器NcountOI初值为0；执行步骤(11)；
(11)计算TimeCycOI＝(n2+NcountOI)×Δt并判断：如果TimeCycOI≤n3×Δt且得到图像处理板回答信息为正在处理中，则继续每周期向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时NcountOI＝NcountOI+1，重复步骤(11)；如果TimeCycOI≤n3×Δt且得到图像处理板回答信息为安全点单位矢量数据，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，执行步骤(12)；如果TimeCycOI≤n3×Δt且得到图像处理板回答信息为光学精避障失败信息，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置光学精避障失败标志信息，执行步骤(12)；如果TimeCycOI>n3×Δt，则不再向图像处理板发送着陆点信息获取指令，同时置光学精避障失败标志信息，执行步骤(12)；
(12)中心控制单元计算机向图像处理板发送激光三维成像敏感器传图指令；
(13)中心控制单元计算机向图像处理板发送光学成像敏感器传图指令。
2.根据权利要求1所述的一种月球软着陆精确避障异构备份方法，其特征在于：所述步骤(1)中配置的一台光学成像敏感器和一台激光三维成像敏感器的要求为：光学成像敏感器和激光三维成像敏感器两者视场的光轴指向一致，并与探测器标称下降速度方向一致。
3.根据权利要求1所述的一种月球软着陆精确避障异构备份方法，其特征在于：所述激光三维成像敏感器数据指令包括：姿态信息、导航信息，同时记录器上时间码、姿态四元数、惯性系位置数据。
4.根据权利要求1所述的一种月球软着陆精确避障异构备份方法，其特征在于：所述T1＝3072ms。
5.根据权利要求4所述的一种月球软着陆精确避障异构备份方法，其特征在于：所述T2＝5376ms。
6.根据权利要求5所述的一种月球软着陆精确避障异构备份方法，其特征在于：所述Δt＝128ms。
7.根据权利要求5所述的一种月球软着陆精确避障异构备份方法，其特征在于：n1取值为1。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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|---|---|
| CN110647159B (zh) | 2022-09-30 |
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