CN113473001B - 一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统及方法 - Google Patents

一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统及方法，属于深空探测器地面系统实验测试技术领域。本发明利用数字伴随系统地面处理模块仿真的快速性，实时更新车体的位置姿态信息，相机图像模拟器提前生成图像数据供真实相机采集使用，解决相机图像模拟器图像生成的实时性问题。

Description

一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统及方法，属于深空探测器地面系统实验测试技术领域。
背景技术
火星车在轨工作时的图像移动模式包括自主规划避障移动和视觉测程移动两种模式，为了验证上述两种模式工作时的有效性，需要在地面进行系统闭环试验，同时为了提高星上硬件接口、时序等模拟的真实性需要将星载计算机以及相机敏感器接入地面闭环测试系统。
地面相机图像模拟器作为相机敏感器的图像信号输入源，需要实时根据火星车当前在火星表面的工作状态进行图像数据生成。星载计算机发送图像采集指令给相机敏感器，相机敏感器对场景进行曝光，然后将生成的图像数据发送给星载计算机。从图像采集指令发出到相机敏感器曝光结束，期间需要的时间基本上都在毫秒级别，对于相机图像模拟器来说，很难在这么短的时间内将图像数据准备完毕，这对于时序要求极高的地面闭环测试系统来说是一个很大的缺陷。为了提高地面闭环测试系统模拟的真实性，有必要提出一种新的方法来解决相机图像模拟器图像生成的实时性问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统及方法，利用数字伴随系统地面处理模块仿真的快速性，实时更新车体的位置姿态信息，相机图像模拟器提前生成图像数据供真实相机采集使用，解决相机图像模拟器图像生成的实时性问题。
本发明的技术解决方案是：一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统，包括硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统；
所述硬件在回路闭环测试系统包括星载计算机、星载运动学模块、星载相机和相机图像模拟器；所述相机图像模拟器接收数字伴随系统的地面运动学模块发送的位置姿态信息生成图像供星载相机采集以及发送至数字伴随系统，初始时刻的相机图像为预先装订；星载相机根据相机图像模拟器输出的图像对指定地点进行拍照，获得光学图像，并发送至星载计算机；星载计算机对光学图像进行处理，同时接收星载运动学模块的反馈信息，控制星载运动学模块工作，以及向数字伴随系统发送启停信号；
所述数字伴随系统包括软平台模块和地面运动学模块；所述软平台模块根据相机图像模拟器输出的图像以及实时接收的地面运动学模块发送的反馈信息控制地面运动学模块工作，并根据启停信号向相机图像模拟器发送图像采集指令，控制相机图像模拟器进行下一次工作；地面运动学模块在相机图像模拟器进行下一次工作之前将下一次拍照的位置姿态信息发送至相机图像模拟器后，进入等待状态。
进一步地，所述星载计算机通过RS422接口发送图像采集指令给星载相机，星载相机进行曝光后，返回采集完成信号给星载计算机，星载计算机采集到完成信号后发送图像下传指令给星载相机，星载相机通过LVDS接口将图像发送给星载计算机。
进一步地，所述星载计算机通过对相机图像进行预处理、滤波、特征点提取、特征点匹配以及运动预估生成安全的移动路径，星载计算机采集星载运动学模块反馈的包括太阳敏感器、惯性测量单元等敏感器在内的测量信息，实时生成控制指令控制星载运动学模块工作。
进一步地，所述软平台通过网络通信TCP/IP方式将图像采集指令发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器通过网络通信TCP/IP方式将图像数据发送给软平台模块；对于星载避障相机图像大小为1024*1024*8bit，星载导航相机图像大小为2048*2048*10bit。
进一步地，所述地面运动学模块通过RS422接口将当前的位置姿态信息发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器根据当前的车体姿态和位置信息生成对应的图像；所述位置姿态信息包括滚动姿态、俯仰姿态、偏航姿态以及北东地下的坐标。
一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证方法，包括如下步骤：
S1，初始时刻，相机模拟器准备好初始位置图像，硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统状态设置为一致；
S2，星载相机接收到图像采集指令时对相机图像模拟器进行成像并接收初始位置图像；相机模拟器接收到数字伴随系统发送的图像采集指令时，将初始位置图像发送至数字伴随系统；
S3，软平台模块根据相机图像模拟器输出的图像以及接收的地面运动学模块发送的反馈信息控制地面运动学模块工作；并将下一步的位置姿态信息发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器准备好下次使用的图像；数字伴随系统进入等待状态；
S4，星载相机根据相机图像模拟器输出的图像对指定地点进行拍照，获得光学图像，并发送至星载计算机；星载计算机对光学图像进行处理后控制星载运动学模块工作；同时接收星载运动学模块的反馈信息以及向数字伴随系统发送启停信号；
S5，软平台模块根据相机图像模拟器发送的图像以及实时接收的地面运动学模块发送的反馈信息控制地面运动学模块工作，用于模拟星载运动学模块工作状态；并根据启停信号向相机图像模拟器发送图像采集指令，控制相机图像模拟器进行下一次工作；
S6，相机图像模拟器接收数字伴随系统发送的图像采集指令和位置姿态信息，将图像输出至星载相机和数字伴随系统，重复S3～S6。
进一步地，所述星载计算机通过RS422接口发送图像采集指令给星载相机，星载相机进行自动曝光后，返回采集完成信号给星载计算机，星载计算机采集到完成信号后发送图像下传指令给星载相机，星载相机通过LVDS接口将图像发送给星载计算机。
进一步地，所述星载计算机通过对相机图像进行预处理、滤波、特征点提取、特征点匹配以及运动预估生成安全的移动路径，星载计算机采集星载运动学模块反馈的包括太阳敏感器、惯性测量单元等敏感器在内的测量信息，实时生成控制指令控制星载运动学模块工作。
进一步地，所述软平台通过网络通信TCP/IP方式将图像采集指令发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器通过网络通信TCP/IP方式将图像数据发送给软平台模块；对于星载避障相机图像大小为1024*1024*8bit，星载导航相机图像大小为2048*2048*10bit。
进一步地，所述地面运动学模块通过RS422接口将当前的位置姿态信息发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器根据当前的车体姿态和位置信息生成对应的图像；所述位置姿态信息包括滚动姿态、俯仰姿态、偏航姿态以及北东地下的坐标。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统使用功能相同的的控制算法进行同一个测试用例的测试且运动学响应一致；
(2)通过数字伴随系统中地面处理模块运行的快速性，实时将运动学车体的位置姿态信息输入到相机图像模拟器中，相机图像模拟器提前生成下一次图像采集时的数据；
(3)地面处理模块在本次图像采集并处理完成后控制车体移动一步可进入等待状态，星上控制计算机在完成本次的车体的移动之后可通过启停信号控制地面处理模块继续运行。
附图说明
图1为本发明系统的原理示意图；
图2为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统及方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～2所示)：首先构造硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统，硬件在回路闭环测试系统中控制计算机与地面处理模块运行的软件算法保持一致，各自的运动学响应一致。硬件在回路闭环测试系统完成星上真实单机的闭环跑和测试，数字伴随系统负责相机模拟器位置姿态输入信息的实时更新。
通过初始状态设置保证硬件在回路闭环测试系统与数字伴随系统运行状态一致，图像移动模式测试过程中，在本次相机图像采集、处理且移动完成后数字伴随系统提前将运动学的位置姿态信息输入到相机图像模拟器，相机图像模拟器准备好下一对图像数据，数字伴随系统进入等待状态。硬件在回路闭环测试系统在第一对图像采集、处理且移动完成后对数字伴随系统发送继续运行指令，硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统分别再次进行第二对图像的采集、处理和移动。
具体的，一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统，包括硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统；所述硬件在回路闭环测试系统包括星载计算机、星载运动学模块、星载相机和相机图像模拟器；所述相机图像模拟器接收数字伴随系统的地面运动学模块发送的位置姿态信息生成图像供星载相机采集以及发送至数字伴随系统，初始时刻的相机图像为预先装订；星载相机根据相机图像模拟器输出的图像对指定地点进行拍照，获得光学图像，并发送至星载计算机；星载计算机对光学图像进行处理，同时接收星载运动学模块的反馈信息，控制星载运动学模块工作，以及向数字伴随系统发送启停信号；所述数字伴随系统包括软平台模块和地面运动学模块；所述软平台模块根据相机图像模拟器输出的图像以及实时接收的地面运动学模块发送的反馈信息控制地面运动学模块工作，并根据启停信号向相机图像模拟器发送图像采集指令，控制相机图像模拟器进行下一次工作；地面运动学模块在相机图像模拟器进行下一次工作之前将下一次拍照的位置姿态信息发送至相机图像模拟器后，进入等待状态。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述星载计算机通过RS422接口发送图像采集指令给星载相机，星载相机进行曝光后，返回采集完成信号给星载计算机，星载计算机采集到完成信号后发送图像下传指令给星载相机，星载相机通过LVDS接口将图像发送给星载计算机。
在一种可能实现的方式中，所述星载计算机通过对相机图像进行预处理、滤波、特征点提取、特征点匹配以及运动预估生成安全的移动路径，星载计算机采集星载运动学模块反馈的包括太阳敏感器、惯性测量单元等敏感器在内的测量信息，实时生成控制指令控制星载运动学模块工作。
进一步，在一种可能实现的方式中，所述软平台通过网络通信TCP/IP方式将图像采集指令发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器通过网络通信TCP/IP方式将图像数据发送给软平台模块；对于星载避障相机图像大小为1024*1024*8bit，星载导航相机图像大小为2048*2048*10bit。
在一种可能实现的方式中，所述地面运动学模块通过RS422接口将当前的位置姿态信息发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器根据当前的车体姿态和位置信息生成对应的图像；所述位置姿态信息包括滚动姿态、俯仰姿态、偏航姿态以及北东地下的坐标。
如图2，基于与图1相同的发明构思，本发明还提供一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证方法，包括如下步骤：
S1，初始时刻，相机模拟器准备好初始位置图像，硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统状态设置为一致；
S2，星载相机接收到图像采集指令时对相机图像模拟器进行成像并接收初始位置图像；相机模拟器接收到数字伴随系统发送的图像采集指令时，将初始位置图像发送至数字伴随系统；
S3，软平台模块根据相机图像模拟器输出的图像以及接收的地面运动学模块发送的反馈信息控制地面运动学模块工作；并将下一步的位置姿态信息发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器准备好下次使用的图像；数字伴随系统进入等待状态；
S4，星载相机根据相机图像模拟器输出的图像对指定地点进行拍照，获得光学图像，并发送至星载计算机；星载计算机对光学图像进行处理后控制星载运动学模块工作；同时接收星载运动学模块的反馈信息以及向数字伴随系统发送启停信号；
S5，软平台模块根据相机图像模拟器发送的图像以及实时接收的地面运动学模块发送的反馈信息控制地面运动学模块工作，用于模拟星载运动学模块工作状态；并根据启停信号向相机图像模拟器发送图像采集指令，控制相机图像模拟器进行下一次工作；
S6，相机图像模拟器接收数字伴随系统发送的图像采集指令和位置姿态信息，将图像输出至星载相机和数字伴随系统，重复S3～S6。
进一步，所述星载计算机通过RS422接口发送图像采集指令给星载相机，星载相机进行自动曝光后，返回采集完成信号给星载计算机，星载计算机采集到完成信号后发送图像下传指令给星载相机，星载相机通过LVDS接口将图像发送给星载计算机。
在一种可能实现的方式中，所述星载计算机通过对相机图像进行预处理、滤波、特征点提取、特征点匹配以及运动预估生成安全的移动路径，星载计算机采集星载运动学模块反馈的包括太阳敏感器、惯性测量单元等敏感器在内的测量信息，实时生成控制指令控制星载运动学模块工作。
进一步，所述软平台通过网络通信TCP/IP方式将图像采集指令发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器通过网络通信TCP/IP方式将图像数据发送给软平台模块；对于星载避障相机图像大小为1024*1024*8bit，星载导航相机图像大小为2048*2048*10bit。
在一种可能实现的方式中，所述地面运动学模块通过RS422接口将当前的位置姿态信息发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器根据当前的车体姿态和位置信息生成对应的图像；所述位置姿态信息包括滚动姿态、俯仰姿态、偏航姿态以及北东地下的坐标。
在本申请实施例所提供的方案中，包括如下步骤：
(1)、进行硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统的状态设置(包括运动学的状态设置)，两者应保持一致；
(2)、相机图像模拟器根据数字伴随系统中运动学的位置姿态信息事先生成第一对相机图像；
(3)、硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统同时启动图像移动测试用例；
(4)、数字伴随系统中的地面处理模块发送图像采集指令给相机图像模拟器，相机图像模拟器将准备好的图像数据传送给地面处理模块。地面处理模块对采集到的图像进行有效地处理，并进行一次移动；
(5)、数字伴随系统中将移动后的车体位置姿态信息输入给相机图像模拟器；
(6)、相机图像模拟器根据最新的车体位置姿态信息准备下一对图像数据；
(7)、数字伴随系统在步骤(4)中移动结束后进入等待状态，并判断是否收到启动信号，若收到启动信号则转入步骤(4)，否则继续等待；
(8)、在进行步骤(4)的同时，硬件在回路闭环测试系统星上计算机发送图像采集指令给真实的相机，相机进行曝光并将采集到的相机图像模拟器中的图像数据传送给星上计算机。星上计算机对采集到的图像进行有效地处理，并进行一次移动。
(9)、硬件在回路闭环测试系统发送数字伴随系统启动命令，并转入步骤(8)执行。
本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
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 (10)

1.一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统，其特征在于：包括硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统；
所述硬件在回路闭环测试系统包括星载计算机、星载运动学模块、星载相机和相机图像模拟器；所述相机图像模拟器接收数字伴随系统的地面运动学模块发送的位置姿态信息生成图像供星载相机采集以及发送至数字伴随系统，初始时刻的相机图像为预先装订；星载相机根据相机图像模拟器输出的图像对指定地点进行拍照，获得光学图像，并发送至星载计算机；星载计算机对光学图像进行处理，同时接收星载运动学模块的反馈信息，控制星载运动学模块工作，以及向数字伴随系统发送启停信号；
所述数字伴随系统包括软平台模块和地面运动学模块；所述软平台模块根据相机图像模拟器输出的图像以及实时接收的地面运动学模块发送的反馈信息控制地面运动学模块工作，并根据启停信号向相机图像模拟器发送图像采集指令，控制相机图像模拟器进行下一次工作；地面运动学模块在相机图像模拟器进行下一次工作之前将下一次拍照的位置姿态信息发送至相机图像模拟器后，进入等待状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统，其特征在于：所述星载计算机通过RS422接口发送图像采集指令给星载相机，星载相机进行曝光后，返回采集完成信号给星载计算机，星载计算机采集到完成信号后发送图像下传指令给星载相机，星载相机通过LVDS接口将图像发送给星载计算机。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统，其特征在于：所述星载计算机通过对相机图像进行预处理、滤波、特征点提取、特征点匹配以及运动预估生成安全的移动路径，星载计算机采集星载运动学模块反馈的包括太阳敏感器、惯性测量单元在内的测量信息，实时生成控制指令控制星载运动学模块工作。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统，其特征在于：所述软平台通过网络通信TCP/IP方式将图像采集指令发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器通过网络通信TCP/IP方式将图像数据发送给软平台模块；对于星载避障相机图像大小为1024*1024*8bit，星载导航相机图像大小为2048*2048*10bit。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证系统，其特征在于：所述地面运动学模块通过RS422接口将当前的位置姿态信息发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器根据当前的车体姿态和位置信息生成对应的图像；所述位置姿态信息包括滚动姿态、俯仰姿态、偏航姿态以及北东地下的坐标。
6.一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，初始时刻，相机模拟器准备好初始位置图像，硬件在回路闭环测试系统和数字伴随系统状态设置为一致；
S2，星载相机接收到图像采集指令时对相机图像模拟器进行成像并接收初始位置图像；相机模拟器接收到数字伴随系统发送的图像采集指令时，将初始位置图像发送至数字伴随系统；
S3，软平台模块根据相机图像模拟器输出的图像以及接收的地面运动学模块发送的反馈信息控制地面运动学模块工作；并将下一步的位置姿态信息发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器准备好下次使用的图像；数字伴随系统进入等待状态；
S4，星载相机根据相机图像模拟器输出的图像对指定地点进行拍照，获得光学图像，并发送至星载计算机；星载计算机对光学图像进行处理后控制星载运动学模块工作；同时接收星载运动学模块的反馈信息以及向数字伴随系统发送启停信号；
S5，软平台模块根据相机图像模拟器发送的图像以及实时接收的地面运动学模块发送的反馈信息控制地面运动学模块工作，用于模拟星载运动学模块工作状态；并根据启停信号向相机图像模拟器发送图像采集指令，控制相机图像模拟器进行下一次工作；
S6，相机图像模拟器接收数字伴随系统发送的图像采集指令和位置姿态信息，将图像输出至星载相机和数字伴随系统，重复S3～S6。
7.根据权利要求6所述的一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证方法，其特征在于：所述星载计算机通过RS422接口发送图像采集指令给星载相机，星载相机进行自动曝光后，返回采集完成信号给星载计算机，星载计算机采集到完成信号后发送图像下传指令给星载相机，星载相机通过LVDS接口将图像发送给星载计算机。
8.根据权利要求6所述的一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证方法 ，其特征在于：所述星载计算机通过对相机图像进行预处理、滤波、特征点提取、特征点匹配以及运动预估生成安全的移动路径，星载计算机采集星载运动学模块反馈的包括太阳敏感器、惯性测量单元等敏感器在内的测量信息，实时生成控制指令控制星载运动学模块工作。
9.根据权利要求6所述的一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证方法，其特征在于：所述软平台通过网络通信TCP/IP方式将图像采集指令发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器通过网络通信TCP/IP方式将图像数据发送给软平台模块；对于星载避障相机图像大小为1024*1024*8bit，星载导航相机图像大小为2048*2048*10bit。
10.根据权利要求6所述的一种基于数字伴随的硬件在回路系统验证方法，其特征在于：所述地面运动学模块通过RS422接口将当前的位置姿态信息发送给相机图像模拟器，相机图像模拟器根据当前的车体姿态和位置信息生成对应的图像；所述位置姿态信息包括滚动姿态、俯仰姿态、偏航姿态以及北东地下的坐标。
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