CN113777590A - 一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场及验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场及验证方法，用于构建月表地形地貌特征，并可动态调整特征分布结构，该模拟场包括固化的用于模拟软着陆安全着陆区的平坦区域，该平坦区域上设有可移动石块、不同尺寸的坑体和斜坡区，所述坑体设有坑唇和顶盖，通过坑体的顶盖和可移动石块动态变换模拟场地形，从而来模拟多种月表平地、洼地、月坑、石块的地形特征和月表弱反射率障碍探测环境；所述验证方法包括获取基准地形数据、获取激光器成像点云数据、误差校验以及精度评定。与现有技术相比，本发明为深空探测软着陆过程的多种着陆区快速建模与障碍物识别提供支撑。

Description

一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场及验证方法

技术领域

本发明涉及月表模拟场设计领域，尤其是涉及一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场及验证方法。

背景技术

着陆探测、采样返回与载人登陆是未来深空探测的必然趋势，而探测器安全着陆是其顺利实施的前提条件。针对着陆过程不可重复性，我国深空探测着陆方案选用多波束线阵探测技术的三维激光成像系统进行障碍精探测与安全着陆点选取，其前提是其高可信三维成像测距量测级精度。

月球形貌特征反映了月表高低起伏形态及空间分布特征，月陆、月海、撞击坑等构成了月貌体系的控制框架。撞击坑是月表最明显的特征，受地外天体、陨石撞击而成；月陆区相对明亮，地势起伏较大，且撞击坑密度较大。激光雷达可直接获得目标表面三维立体影像，适合于地形复杂、弱光照或无光照等特殊环境下深空探测着陆任务。

因复杂成像结构和系统硬件技术的限制，多波束线阵探测技术的三维激光成像系统研制是非常复杂的系统工程，三维成像过程存在测距、测角等误差，在各阶段样机和正样研制过程中，需开展多次地面实验来验证各项关键参数精度，以提高激光三维成像质量，提升着陆区障碍探测精度与安全区域选取的可靠性，从而保障深空探测工程顺利开展。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场及验证方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供了一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场，用于构建月表地形地貌特征，并可动态调整特征分布结构，该模拟场包括固化的用于模拟软着陆安全着陆区的平坦区域，该平坦区域上设有可移动石块、不同尺寸的坑体和斜坡区，所述坑体设有坑唇和顶盖，通过坑体的顶盖和可移动石块动态变换模拟场地形，从而来模拟多种月表平地、洼地、月坑、石块的地形特征和月表弱反射率障碍探测环境。

优选地，所述平坦区域由设定比例混凝土固化而成。

优选地，所述平坦区域表面涂有用于模拟月壤弱反射率环境的涂层；所述涂层包括混合的设定粒径碎石和设定灰度涂料。

优选地，所述坑体包括直径、深度不等的圆形坑体和环形唇坑，用于等比例模拟复杂月表的坑体障碍。

优选地，所述坑体的顶盖随机建造于直径大于设定值的坑体上。

优选地，所述坑体的顶盖可拆卸且其平衡度满足设定要求。

优选地，所述斜坡区为多组固定坡度的连续斜坡，该斜坡坡面上设有多个尺寸不等的坑体，用于模拟复杂地形坡体区。

优选地，高程低于基础平面的洼地，数个尺寸不等月坑分布于该区域内，实现月表复杂地形低洼区的模拟。

优选地，所述石块为尺寸不等，其几何特征依据月球表面石块的几何特征数据，用于模拟月表上凸起的小石块障碍；所述石块随机分布于模拟场内；其中，所述石块为分化花岗岩石块。

根据本发明的第二方面，提供了一种基于上述一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场的验证方法，将激光器垂直悬置于所述模拟场中心上方沿成像主光轴方向进行成像，所述验证方法包括以下步骤：

步骤S1：获取基准地形数据，利用三维扫描仪对模拟场进行扫描成像，获取三维地形数据；

步骤S2：获取激光器成像点云，利用待检校激光器对模拟场进行扫描成像，获取其点云数据并进行分割与提取；

步骤S3：误差检校，利用已有模拟场障碍参数和三维地形数据，对激光三维成像误差进行检校；

步骤S4：精度评定，对改正值与基准值比较分析，评价成像质量精度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明提出了一种用于软着陆障碍探测地面验证的复杂月表模拟场，基于月表平地、洼地、月坑、石块等几何特征数据，设计建造了包括坑体、斜坡、低洼区、石块等等比例模拟月表地形地貌特征的模拟场，设计了利用特定粒度碎石和特定灰度涂料混合模拟弱反射率月壤环境，设计建造了多个尺寸月坑顶盖、可移动石块的模拟场地形动态调整结构，模拟了复杂月表环境对软着陆过程激光三维成像质量与障碍探测的影响，提高了激光三维成像质量精度与障碍探测能力，为深空探测软着陆过程多种着陆区快速建模与障碍物识别提供支撑；

2)本发明设计建造多尺寸月坑顶盖、可移动石块的模拟场地形调整结构，根据着陆器障碍探测地面验证方案，实现不同月表地形地貌特征快速调整模拟；

3)本发明中的几何特征数据来源于真实卫星着陆探测的实际数据，反映了真实复杂月表地貌。

附图说明

图1为实施例的用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场示意图；

图2为基于本发明的复杂月表模拟场的验证方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明提出一种用于软着陆障碍探测地面验证的复杂月表模拟场，主要包括：1)综合嫦娥三号、四号和五号设计的着陆区域的实际月表平地、洼地、月坑、石块等典型几何特征数据，设计并建造了60米×60米等比例月表地形地貌全要素特征模拟场；2)设计建造多尺寸月坑顶盖、可移动石块的模拟场地形调整结构，根据着陆器障碍探测地面验证方案，实现不同月表地形地貌特征快速调整模拟；3)利用特定粒径的碎石和特定灰度涂料混合，地面模拟月表障碍探测时下月壤弱反射率环境；4)将激光器悬置于模拟场上空，开展模拟软着陆过程障碍探测能力验证与成像质量精度分析。接下来，结合实施例进一步说明。

本实施例采用多元激光探测的多波束激光三维成像系统。建设的复杂月表模拟场面积为3600平方米，将激光扫描仪安置于模拟场中心上方沿成像主光轴方向处，对模拟场月坑、坡体、低洼区、石块等障碍进行扫描成像，开展激光三维成像质量误差检校分析，如图1所示。下面对复杂月表地形地貌模拟场设计过程进行详细介绍。

1、复杂月表地形地貌模拟场设计

复杂月表地形地貌模拟场是开展软着陆障碍探测地面验证的关键，针对多波束激光三维成像点间距稀疏与小尺寸障碍识别验证难的问题，本发明设计着陆区等比例月表地形地貌全要素特征模拟场。具体设计方案如下：

1.1模拟场面积为60×60米，由特定比例混凝土固化形成基础平面，设计符合着陆器尺寸的平坦区域，模拟软着陆安全着陆区；基于嫦娥三号、四号和五号设计着陆区域的月球表面月坑的几何特征数据，设计直径不等的圆形坑体及环形坑唇，实现复杂月表地貌月坑障碍的等比例模拟；

1.2设计山形斜坡区模拟月表复杂地形，设计并建设3组固定坡度的连续斜坡，设计数个尺寸不等月坑分布于坡面上，实现坡体障碍和坑体障碍的综合模拟；设计高程低于基础平面的洼地，数个尺寸不等月坑分布于该区域内，实现月表复杂地形低洼区的模拟；

1.3利用特定粒径碎石和特定灰度涂料混合，实现月月表障碍探测中月壤弱反射率环境的地面模拟。

2月表地形地貌动态调整结构设计

多波束激光三维成像过程存在系统性误差，且探测目标的几何特征存在一定成像随机性误差，本发明设计建造多个尺寸坑体顶盖、可移动石块的模拟场地形变化结构，可快速动态模拟不同月表地形地貌特征。具体方案设计如下：

2.1在模拟场平地范围内选取数个较大直径的月坑，设计建造可拆卸、高平衡度的坑体顶盖，利用特定灰度涂料使其与模拟场反射率一致；

2.2基于月球表面石块的几何特征数据，设计数个尺寸不同的风化花岗岩石块，模拟月表上凸起小石块障碍；基于模拟场平地、洼地分布和预设安全着陆区范围，设计数个尺寸不等石块随机分布于模拟场内；

2.3为解决同一场地内多种月表障碍空间分布形态的模拟与验证，发明模拟场多种坑体顶盖覆盖、石块快速摆放方法，实现月坑与石块个数、平地范围变化组合的多种月表地形地貌特征的模拟。

3基于复杂月表模拟场的软着陆障碍探测地面验证方案

考虑系统参数之间、系统与外方元素之间的检校参数相关性，结合月坑、石块、洼地、坡体等典型月表障碍对多波束激光三维成像的综合影响，设计将激光器垂直悬置于模拟场中心上方沿成像主光轴方向进行成像方法，基于复杂月表模拟场的软着陆障碍探测地面验证方案如下：

S1,基准地形数据获取：利用高精度三维扫描仪对模拟场进行扫描成像，获取高精度三维地形数据；

S2,激光器成像点云获取：利用待检校激光器对模拟场进行扫描成像，获取其点云数据并进行分割与提取；

S3,误差检校：利用已有模拟场障碍参数和高精度三维地形数据，对激光三维成像误差进行检校；

S4,精度评定：对改正值与基准值比较分析，评价成像质量精度。

本发明提出了一种用于软着陆障碍探测地面验证的复杂月表模拟场设计方法，基于月表平地、洼地、月坑、石块等几何特征数据，设计建造了包括坑体、斜坡、低洼区、石块等模拟月表地形地貌特征的模拟场，设计了利用特定粒度碎石和特定灰度涂料混合模拟弱反射率月壤环境，设计建造了多个尺寸月坑顶盖、可移动石块的模拟场地形动态调整结构，模拟了复杂月表环境对软着陆过程激光三维成像质量与障碍探测的影响。本发明可提高激光三维成像质量精度与障碍探测能力，可为深空探测着陆器安全软着陆提供支撑。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场，其特征在于，用于构建月表地形地貌特征，并可动态调整特征分布结构，该模拟场包括固化的用于模拟软着陆安全着陆区的平坦区域，该平坦区域上设有可移动石块、不同尺寸的坑体和斜坡区，所述坑体设有坑唇和顶盖，通过坑体的顶盖和可移动石块动态变换模拟场地形，从而来模拟多种月表平地、洼地、月坑、石块的地形特征和月表弱反射率障碍探测环境。

2.根据权利要求1所述的一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场，其特征在于，所述平坦区域由设定比例混凝土固化而成。

3.根据权利要求2所述的一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场，其特征在于，所述平坦区域表面涂有用于模拟月壤弱反射率环境的涂层；所述涂层包括混合的设定粒径碎石和设定灰度涂料。

4.根据权利要求1所述的一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场，其特征在于，所述坑体包括直径、深度不等的圆形坑体和环形唇坑，用于等比例模拟复杂月表的坑体障碍。

5.根据权利要求4所述的一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场，其特征在于，所述坑体的顶盖随机建造于直径大于设定值的坑体上。

6.根据权利要求5所述的一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场，其特征在于，所述坑体的顶盖可拆卸且其平衡度满足设定要求。

7.根据权利要求1所述的一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场，其特征在于，所述斜坡区为多组固定坡度的连续斜坡，该斜坡坡面上设有多个尺寸不等的坑体，用于模拟复杂地形坡体区。

8.根据权利要求1所述的一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场，其特征在于，高程低于基础平面的洼地，数个尺寸不等月坑分布于该区域内，实现月表复杂地形低洼区的模拟。

9.根据权利要求1所述的一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场，其特征在于，所述石块为尺寸不等，其几何特征依据月球表面石块的几何特征数据，用于模拟月表上凸起的小石块障碍；所述石块随机分布于模拟场内；其中，所述石块为分化花岗岩石块。

10.一种基于权利要求1所述的一种用于软着陆障碍探测的复杂月表模拟场的验证方法，其特征在于，将激光器垂直悬置于所述模拟场中心上方沿成像主光轴方向进行成像，所述验证方法包括以下步骤：

步骤S1：获取基准地形数据，利用三维扫描仪对模拟场进行扫描成像，获取三维地形数据；

步骤S2：获取激光器成像点云，利用待检校激光器对模拟场进行扫描成像，获取其点云数据并进行分割与提取；

步骤S3：误差检校，利用已有模拟场障碍参数和三维地形数据，对激光三维成像误差进行检校；

步骤S4：精度评定，对改正值与基准值比较分析，评价成像质量精度。

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