CN111537000A - 深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法 - Google Patents

深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法 Download PDF

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丁国鹏
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Abstract

本发明提供了一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法，所述深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证方法包括：太阳光模拟器建立小天体表面环境时间，以对不同小天体时间下的着陆区域进行光学环境模拟；小天体模拟沙盘建立小天体表面环境的高程形貌，以对不同小天体高程形貌下的着陆区域进行导航模拟；运动模拟系统构建观测小天体的光学载荷的运动参数，模拟真实的卫星光学载荷，并对所述小天体模拟沙盘的表面环境图像进行采集，所述运动模拟系统将所述表面环境图像发送至实时仿真机；所述实时仿真机根据所述表面环境图像控制所述运动模拟系统的运动，以使所述运动模拟系统抵近所述小天体模拟沙盘的最优着陆区域。

Description

深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法
技术领域
本发明涉及卫星导航制导与控制技术领域，特别涉及一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法。
背景技术
深空小天体探测周期长、技术难点多、经验不足，其中导航制导与控制是影响任务成败的首要技术，验证天体导航算法，提高导航与着陆精度有三种方式，分别为物理试验、数值仿真、半物理试验，数值仿真难以模拟实际场景与环境，无法对导航算法进行闭环优化；半物理实验与物理实验能够较好完成小天体附近导航的模拟，搭建深空小天体导航与控制地面模拟环境是开展深空小天体探测的基础。国内外尚无小天体表面着陆导航试验平台，为节约任务成本，提高任务成功率，应加快导航地面试验系统建设，开展导航验证试验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法，以解决现有的国内外尚无小天体表面着陆导航试验平台的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法，所述深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统包括：
太阳光模拟器，被配置为建立小天体表面环境时间，以对不同小天体时间下的着陆区域进行光学环境模拟；
小天体模拟沙盘，被配置为建立小天体表面环境的高程形貌，以对不同小天体高程形貌下的着陆区域进行导航模拟；
运动模拟系统，被配置为构建观测小天体的光学载荷的运动参数，模拟真实的卫星光学载荷，并对所述小天体模拟沙盘的表面环境图像进行采集，所述运动模拟系统将所述表面环境图像发送至实时仿真机；
所述实时仿真机，被配置为根据所述表面环境图像控制所述运动模拟系统的运动，以使所述运动模拟系统抵近所述小天体模拟沙盘的最优着陆区域。
可选的，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述太阳光模拟器包括平行光源及光源运动控制装置，其中：
所述平行光源照射于所述小天体模拟沙盘上，用于模拟小天体表面不同角度的入射太阳光；
所述光源运动控制装置包括第一滑道和第二滑道，所述第一滑道和所述第二滑道之间通过横杆相连，所述横杆能够沿所述第一滑道和所述第二滑道滑动，所述平行光源安装于所述横杆上，所述平行光源能够沿所述横杆上平移，所述平行光源还能够在所述横杆上俯仰转动及摆动转动，所述平行光源模拟太阳光四自由度的入射角度。
可选的，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述运动模拟系统包括机械臂、导航相机和激光测距仪，其中：
所述导航相机和所述激光测距仪安装于所述机械臂的TCP端，所述机械臂的TCP端能够6自由度移动，以模拟光学载荷的位姿，所述导航相机与所述激光测距仪模拟光学载荷本体；
所述导航相机采集所述小天体模拟沙盘的表面环境图像，所述激光测距仪获取所述光学载荷本体与所述小天体模拟沙盘的距离信息；
所述表面环境图像及所述距离信息传送至所述实时仿真机。
可选的，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述实时仿真机包括GNC系统，其中：
所述导航相机将所述表面环境图像通过相机后端算法进行预处理，发送至所述GNC系统；
所述GNC系统包括所述小天体模拟沙盘的高程形貌数据库，所述实时仿真机将所述表面环境图像与所述高程形貌数据库进行图像匹配，以获取匹配结果；
所述GNC系统根据所述匹配结果解算所述光学载荷的位姿。
可选的，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述运动模拟系统还包括控制机柜和PLC；
所述GNC系统评估所述光学载荷的位姿，以获取着陆导航轨迹修正指令；
所述实时仿真机根据所述着陆导航轨迹修正指令形成制导率，并将所述制导率发送至所述PLC；
所述PLC将所述制导率进行转码后形成制导指令，并将所述制导指令发送至所述控制机柜；
所述控制机柜根据所述制导指令对所述机械臂的各个自由度进行解耦，形成解耦指令，以控制所述机械臂在各个自由度的运动。
可选的，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述机械臂根据所述解耦指令修正末端运动轨迹，以控制所述导航相机进行着陆轨迹修正；
通过多次修正，所述导航相机抵近所述小天体模拟沙盘最优着陆区域，以运动实现飞行器制导，验证着陆段光学导航算法。
可选的，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，
所述小天体模拟沙盘的面积为3平方米，所述小天体模拟沙盘的表面经过哑光处理，所述小天体模拟沙盘的表面高低起伏最大20cm；
所述小天体模拟沙盘根据bennu小天体1：800等比缩小，所述小天体模拟沙盘的表面分辨率根据比例缩放后设定为0.1mm。
本发明还提供一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证方法，所述深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证方法包括：
太阳光模拟器建立小天体表面环境时间，以对不同小天体时间下的着陆区域进行光学环境模拟；
小天体模拟沙盘建立小天体表面环境的高程形貌，以对不同小天体高程形貌下的着陆区域进行导航模拟；
运动模拟系统构建观测小天体的光学载荷的运动参数，模拟真实的卫星光学载荷，并对所述小天体模拟沙盘的表面环境图像进行采集，所述运动模拟系统将所述表面环境图像发送至实时仿真机；
所述实时仿真机根据所述表面环境图像控制所述运动模拟系统的运动，以使所述运动模拟系统抵近所述小天体模拟沙盘的最优着陆区域。
在本发明提供的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法中，通过太阳光模拟器建立小天体表面环境时间，以对不同小天体时间下的着陆区域进行光学环境模拟，小天体模拟沙盘建立小天体表面环境的高程形貌，以对不同小天体高程形貌下的着陆区域进行导航模拟，运动模拟系统构建观测小天体的光学载荷的运动参数，模拟真实的卫星光学载荷，并对所述小天体模拟沙盘的表面环境图像进行采集，实时仿真机根据所述表面环境图像控制所述运动模拟系统的运动，以使所述运动模拟系统抵近所述小天体模拟沙盘的最优着陆区域，实现了搭建深空小天体导航与控制地面模拟环境，能够通过物理实验完成小天体附近导航的模拟，搭建了小天体表面着陆导航试验平台，以开展导航地面试验系统建设，开展导航验证试验，实现了节约任务成本，提高任务成功率。
本发明通过GNC系统多次制导，能够完成着陆最优区域抵近的地面测试，通过多次测试，测试着陆成功率，优化导航算法，从而优化着陆轨迹。通过搭建导航算法地面验证系统，低成本实现端算法验证，包括：6自由度的机械臂末端模拟光学载荷的位姿，利用运动光源与小天体模拟沙盘模拟小天体表面环境，形成了导航相机——实时仿真机——PLC——控制机柜——机械臂的光学载荷的制导回路，实现着陆导航缩比物理演示。
本发明专利技术设计合理，能够针对不同光照条件进行低成本导航算法验证，精度高，可靠性好。本发明立足于工业机械臂，工业相机的算法鲁棒性性测试，提升导航算法的可靠性，大大提升小天体任务成功率。
附图说明
图1是本发明一实施例深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统示意图；
图2是本发明另一实施例深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证方法示意图；
图3是本发明一实施例小天体模拟沙盘表面环境图像示意图；
图中所示：1-平行光源；2-光源运动控制装置；3-小天体模拟沙盘；4-机械臂；5-导航相机；6-激光测距仪；7-控制机柜；8-PLC；9-实时仿真机。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法，以解决现有的国内外尚无小天体表面着陆导航试验平台的问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法，包括：太阳光模拟器建立小天体表面环境时间，以对不同小天体时间下的着陆区域进行光学环境模拟；小天体模拟沙盘建立小天体表面环境的高程形貌，以对不同小天体高程形貌下的着陆区域进行导航模拟；运动模拟系统构建观测小天体的光学载荷的运动参数，模拟真实的卫星光学载荷，并对所述小天体模拟沙盘的表面环境图像进行采集，所述运动模拟系统将所述表面环境图像发送至实时仿真机；所述实时仿真机根据所述表面环境图像控制所述运动模拟系统的运动，以使所述运动模拟系统抵近所述小天体模拟沙盘的最优着陆区域。
<实施例一>
本实施例提供一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法，如图1所示，所述深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统包括：太阳光模拟器，被配置为建立小天体表面环境时间，以对不同小天体时间下的着陆区域进行光学环境模拟；小天体模拟沙盘3，被配置为建立小天体表面环境的高程形貌，以对不同小天体高程形貌下的着陆区域进行导航模拟；运动模拟系统，被配置为构建观测小天体的光学载荷的运动参数，模拟真实的卫星光学载荷，并对所述小天体模拟沙盘3的表面环境图像进行采集，所述运动模拟系统将所述表面环境图像发送至实时仿真机9；所述实时仿真机9，被配置为根据所述表面环境图像控制所述运动模拟系统的运动，以使所述运动模拟系统抵近所述小天体模拟沙盘3的最优着陆区域。
具体的，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述太阳光模拟器包括平行光源1及光源运动控制装置2，其中：所述平行光源1照射于所述小天体模拟沙盘3上，用于模拟小天体表面不同角度的入射太阳光；所述光源运动控制装置2包括第一滑道和第二滑道，所述第一滑道和所述第二滑道之间通过横杆相连，所述横杆能够沿所述第一滑道和所述第二滑道滑动，所述平行光源1安装于所述横杆上，所述平行光源1能够沿所述横杆上平移，所述平行光源1还能够在所述横杆上俯仰转动及摆动转动，所述平行光源1模拟太阳光四自由度的入射角度。
进一步的，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述运动模拟系统包括机械臂4、导航相机5和激光测距仪6，其中：所述导航相机5和所述激光测距仪6安装于所述机械臂4的TCP端，所述机械臂4的TCP端能够6自由度移动，以模拟光学载荷的位姿，所述导航相机5与所述激光测距仪6模拟光学载荷本体；所述导航相机5采集所述小天体模拟沙盘3的表面环境图像，采集精度为10秒/帧，所述激光测距仪6获取所述光学载荷本体与所述小天体模拟沙盘3的距离信息；所述表面环境图像及所述距离信息传送至所述实时仿真机9。
如图2所示，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述实时仿真机9包括GNC系统，其中：所述导航相机5将所述表面环境图像通过相机后端算法进行预处理，发送至所述GNC系统；所述GNC系统包括所述小天体模拟沙盘3的高程形貌数据库，所述实时仿真机9将所述表面环境图像与所述高程形貌数据库进行图像匹配，以获取匹配结果；所述GNC系统根据所述匹配结果解算所述光学载荷的位姿。在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述运动模拟系统还包括控制机柜7和PLC 8；所述GNC系统评估所述光学载荷的位姿，以获取着陆导航轨迹修正指令；所述实时仿真机9根据所述着陆导航轨迹修正指令和所述距离信息形成制导率，并将所述制导率发送至所述PLC 8；所述PLC 8将所述制导率进行转码后形成制导指令(包括位移量、姿态变化量)，并将所述制导指令发送至所述控制机柜7；所述控制机柜7根据所述制导指令对所述机械臂4的各个自由度进行解耦，形成解耦指令(解耦运动)，以控制所述机械臂4在各个自由度的运动。
另外，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述机械臂4根据所述解耦指令修正末端运动轨迹，以控制所述导航相机5进行着陆轨迹修正；通过多次修正，所述导航相机5抵近所述小天体模拟沙盘3最优着陆区域，以运动实现飞行器制导，验证着陆段光学导航算法。导航相机5拍摄小天体模拟沙盘3的真实序列图像，与三维测绘过的沙盘高程数据库进行图像匹配，实现着陆导航真实图像匹配。
如图3所述，在所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统中，所述小天体模拟沙盘3的面积为3平方米，所述小天体模拟沙盘3的表面经过哑光处理，所述小天体模拟沙盘3的表面高低起伏最大20cm；所述小天体模拟沙盘3根据bennu小天体1：800等比缩小，所述小天体模拟沙盘3的表面分辨率根据比例缩放后设定为0.1mm。
综上，上述实施例对深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
<实施例二>
本实施例提供一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证方法，所述深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证方法包括：太阳光模拟器建立小天体表面环境时间，以对不同小天体时间下的着陆区域进行光学环境模拟；小天体模拟沙盘3建立小天体表面环境的高程形貌，以对不同小天体高程形貌下的着陆区域进行导航模拟；运动模拟系统构建观测小天体的光学载荷的运动参数，模拟真实的卫星光学载荷，并对所述小天体模拟沙盘3的表面环境图像进行采集，所述运动模拟系统将所述表面环境图像发送至实时仿真机9；所述实时仿真机9根据所述表面环境图像控制所述运动模拟系统的运动，以使所述运动模拟系统抵近所述小天体模拟沙盘3的最优着陆区域。
在本发明提供的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统及方法中，通过太阳光模拟器建立小天体表面环境时间，以对不同小天体时间下的着陆区域进行光学环境模拟，小天体模拟沙盘3建立小天体表面环境的高程形貌，以对不同小天体高程形貌下的着陆区域进行导航模拟，运动模拟系统构建观测小天体的光学载荷的运动参数，模拟真实的卫星光学载荷，并对所述小天体模拟沙盘3的表面环境图像进行采集，实时仿真机9根据所述表面环境图像控制所述运动模拟系统的运动，以使所述运动模拟系统抵近所述小天体模拟沙盘3的最优着陆区域，实现了搭建深空小天体导航与控制地面模拟环境，能够通过物理实验完成小天体附近导航的模拟，搭建了小天体表面着陆导航试验平台，以开展导航地面试验系统建设，开展导航验证试验，实现了节约任务成本，提高任务成功率。
本发明通过GNC系统多次制导，能够完成着陆最优区域抵近的地面测试，通过多次测试，测试着陆成功率，优化导航算法，从而优化着陆轨迹。通过搭建导航算法地面验证系统，低成本实现端算法验证，包括：6自由度的机械臂4末端模拟光学载荷的位姿，利用运动光源与小天体模拟沙盘3模拟小天体表面环境，形成了导航相机5——实时仿真机9——PLC8——控制机柜7——机械臂4的光学载荷的制导回路，实现着陆导航缩比物理演示。
本发明专利技术设计合理，能够针对不同光照条件进行低成本导航算法验证，精度高，可靠性好。本发明立足于工业机械臂，工业相机的算法鲁棒性性测试，提升导航算法的可靠性，大大提升小天体任务成功率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (8)

1.一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统，其特征在于，所述深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统包括：
太阳光模拟器，被配置为建立小天体表面环境时间，以对不同小天体时间下的着陆区域进行光学环境模拟；
小天体模拟沙盘，被配置为建立小天体表面环境的高程形貌，以对不同小天体高程形貌下的着陆区域进行导航模拟；
运动模拟系统，被配置为构建观测小天体的光学载荷的运动参数，模拟真实的卫星光学载荷，并对所述小天体模拟沙盘的表面环境图像进行采集，所述运动模拟系统将所述表面环境图像发送至实时仿真机；
所述实时仿真机，被配置为根据所述表面环境图像控制所述运动模拟系统的运动，以使所述运动模拟系统抵近所述小天体模拟沙盘的最优着陆区域。
2.如权利要求1所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统，其特征在于，所述太阳光模拟器包括平行光源及光源运动控制装置，其中：
所述平行光源照射于所述小天体模拟沙盘上，用于模拟小天体表面不同角度的入射太阳光；
所述光源运动控制装置包括第一滑道和第二滑道，所述第一滑道和所述第二滑道之间通过横杆相连，所述横杆能够沿所述第一滑道和所述第二滑道滑动，所述平行光源安装于所述横杆上，所述平行光源能够沿所述横杆上平移，所述平行光源还能够在所述横杆上俯仰转动及摆动转动，所述平行光源模拟太阳光四自由度的入射角度。
3.如权利要求1所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统，其特征在于，所述运动模拟系统包括机械臂、导航相机和激光测距仪，其中：
所述导航相机和所述激光测距仪安装于所述机械臂的TCP端，所述机械臂的TCP端能够6自由度移动，以模拟光学载荷的位姿，所述导航相机与所述激光测距仪模拟光学载荷本体；
所述导航相机采集所述小天体模拟沙盘的表面环境图像，所述激光测距仪获取所述光学载荷本体与所述小天体模拟沙盘的距离信息；
所述表面环境图像及所述距离信息传送至所述实时仿真机。
4.如权利要求3所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统，其特征在于，所述实时仿真机包括GNC系统，其中：
所述导航相机将所述表面环境图像通过相机后端算法进行预处理，发送至所述GNC系统；
所述GNC系统包括所述小天体模拟沙盘的高程形貌数据库，所述实时仿真机将所述表面环境图像与所述高程形貌数据库进行图像匹配，以获取匹配结果；
所述GNC系统根据所述匹配结果解算所述光学载荷的位姿。
5.如权利要求4所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统，其特征在于，所述运动模拟系统还包括控制机柜和PLC；
所述GNC系统评估所述光学载荷的位姿，以获取着陆导航轨迹修正指令；
所述实时仿真机根据所述着陆导航轨迹修正指令形成制导率，并将所述制导率发送至所述PLC；
所述PLC将所述制导率进行转码后形成制导指令，并将所述制导指令发送至所述控制机柜；
所述控制机柜根据所述制导指令对所述机械臂的各个自由度进行解耦，形成解耦指令，以控制所述机械臂在各个自由度的运动。
6.如权利要求5所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统，其特征在于，所述机械臂根据所述解耦指令修正末端运动轨迹，以控制所述导航相机进行着陆轨迹修正；
通过多次修正，所述导航相机抵近所述小天体模拟沙盘最优着陆区域，以运动实现飞行器制导，验证着陆段光学导航算法。
7.如权利要求1所述的深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证系统，其特征在于，
所述小天体模拟沙盘的面积为3平方米，所述小天体模拟沙盘的表面经过哑光处理，所述小天体模拟沙盘的表面高低起伏最大20cm；
所述小天体模拟沙盘根据bennu小天体1：800等比缩小，所述小天体模拟沙盘的表面分辨率根据比例缩放后设定为0.1mm。
8.一种深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证方法，其特征在于，所述深空小天体着陆段光学导航算法的地面验证方法包括：
太阳光模拟器建立小天体表面环境时间，以对不同小天体时间下的着陆区域进行光学环境模拟；
小天体模拟沙盘建立小天体表面环境的高程形貌，以对不同小天体高程形貌下的着陆区域进行导航模拟；
运动模拟系统构建观测小天体的光学载荷的运动参数，模拟真实的卫星光学载荷，并对所述小天体模拟沙盘的表面环境图像进行采集，所述运动模拟系统将所述表面环境图像发送至实时仿真机；
所述实时仿真机根据所述表面环境图像控制所述运动模拟系统的运动，以使所述运动模拟系统抵近所述小天体模拟沙盘的最优着陆区域。
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