CN113885542A - 一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法，在控制策略上，针对伞‑背罩组合体与地形地貌障碍统一规避的新需求，采用了粗避障和伞‑背罩组合体规避的协同控制策略。在悬停精避障阶段，在激光三维成像的基础上，增加了利用光学避障敏感器和多功能避障敏感器光学避障模块进行双目精避障的冗余策略。针对火星进入、下降与着陆过程的强时序要求，提供了进入下降控制单元、多功能避障敏感器和光学避障敏感器之间的数据传输和信息交互等工作时序，保证了在短时间内自主、快速地完成避障任务。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法，特别是一种探测器在火星软着陆过程中进行障碍检测与规避的逻辑和时序控制方法，属于地外天体软着陆控制技术领域。
背景技术
火星进入、下降与着陆(Entry、Descent and Landing，EDL)过程从探测器接触火星大气进入点开始，到安全着陆火星表面结束。主要包括气动减速、伞降减速和动力减速等关键阶段，如图1所示。本发明所涉及的技术主要用于动力减速段，这一阶段可进一步分为动力规避、悬停成像、避障机动和缓速下降等阶段，主要通过主发动机进行制动减速，并完成伞-背罩组合体的规避以及对着陆区地形的障碍检测与规避，从而实现安全着陆。
与地球大气再入过程以及月球着陆过程的情况不同，火星EDL过程时间很短(7～9分钟左右)，而地面测控时延大(十几分钟)，要求着陆过程探测器具备完全自主的能力；火星大气环境复杂多变，进入舱的进入状态、气动参数等具有较大不确定性，整个EDL过程时序复杂、动态范围大，从而会造成较大的落点误差，同时火星表面地形复杂且无落区地形地貌高分辨率的先验数据，因此要求探测器在着陆过程中能够自主快速进行障碍识别与规避，具备在复杂地形中安全着陆的能力。此外，在伞-背罩组合体与着陆平台分离后，伞-背罩组合体与着陆平台各自继续飞行，伞-背罩组合体可能与着陆平台发生碰撞，也可能罩住着陆平台，因此，还需使着陆平台对伞-背罩组合体具备自主规避的能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法，在控制策略上，针对伞-背罩组合体与地形地貌障碍统一规避的新需求，采用了粗避障和伞-背罩组合体规避的协同控制策略。在悬停精避障阶段，在激光三维成像的基础上，增加了利用光学避障敏感器和多功能避障敏感器光学避障模块进行双目精避障的冗余策略。针对火星进入、下降与着陆过程的强时序要求，提供了进入下降控制单元、多功能避障敏感器和光学避障敏感器之间的数据传输和信息交互等工作时序，保证了在短时间内自主、快速地完成避障任务。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法，探测器上配置有进入下降控制单元、多功能避障敏感器和光学避障敏感器，其中，进入下降控制单元包括控制计算机板和图像处理板，用于安全着陆点解算和避障控制，多功能避障敏感器和光学避障敏感器用于获取着陆区图像数据，多功能避障敏感器包括激光三维成像模块和光学成像模块，包括如下步骤：
当探测器的高度下降到第一预设门限时，对探测器的水平速度进行判断；如果探测器的水平速度大于预设门限进行粗避障，否则进行背罩规避；
粗避障的方法为：利用光学成像模块或光学避障敏感器，基于设定安全区搜索范围，获取着陆区表面图像，确定安全着陆点信息；
背罩规避的方法为：利用光学成像模块或光学避障敏感器，基于背罩规避参数信息，获取着陆区表面图像，确定安全着陆点信息；
当探测器的高度继续下降到第二预设门限时，进行精避障；
精避障的方法为：对图像最多进行三次处理，其中前两次用激光三维成像模块获取的数据，第三次用光学避障敏感器和光学成像模块获取的数据，任一次图像处理后能够获得安全着陆点信息，则完成精避障。
优选的，粗避障的时序为：
1)控制计算机板在探测器到达第一预设门限高度对应的当拍控制周期，停止发送在轨周期性拍图指令；
2)间隔4个周期后，控制计算机板向主/备份图像处理板发送校时指令，并置图像处理板的主份当班；
3)在满足进行光学成像的高度和姿态角速度时，控制计算机板向图像处理板的主份发送APS成像数据指令，并设定安全区搜索范围，同时记为第1个周期，记录发指令周期以及下一周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算，同时获取图像处理板的主份应答，若通讯正常，转步骤4)；若发生通讯错误，则控制计算机板指定图像处理板的备份当班，转步骤5)；
4)控制计算机板在第13个周期，向图像处理板的主份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率，转步骤6)；若图像处理板的主份未获得安全点解算结果，转入步骤5)；
5)控制计算机板在第14个周期，控制计算机板向图像处理板的备份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；
6)控制计算机板在第49个周期，恢复发送在轨周期性拍图指令。
优选的，背罩规避的时序为：
1)控制计算机板在探测器高度到达第一预设门限高度对应的当拍控制周期，停止发送在轨周期性拍图指令；
2)间隔4个周期后，控制计算机板向主/备份图像处理板发送校时指令，并置图像处理板的主份当班；
3)在满足进行光学成像的高度和姿态角速度时，控制计算机板向图像处理板的主份发送APS成像数据指令，并发送背罩规避参数信息，同时记为第1个周期，记录发指令周期以及下一周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算，同时获取图像处理板的主份应答，若通讯正常，转步骤4)；若发生通讯错误，则控制计算机板指定图像处理板的备份当班，转步骤5)；
4)控制计算机板在第13个周期，向图像处理板的主份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率，转步骤6)；若图像处理板的主份未获得安全点解算结果，转入步骤5)；
5)控制计算机板在第14个周期，控制计算机板向图像处理板的备份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；
6)控制计算机板在第49个周期，恢复发送在轨周期性拍图指令。
优选的，精避障的时序为：
1)在探测器到达预设高度，且地面事先设定允许进行激光三维精避障或双目精避障时,控制计算机板停止发送在轨周期性拍图指令，启动精避障流程；
2)间隔32个控制周期，若地面事先设定允许进行双目精避障，控制计算机向主/备份图像处理板发送双目标定指令；
3)在悬停高度、速度、姿态角度满足拍图条件的当拍周期，记为第0个控制周期，若事先设定允许进行激光三维精避障，则控制计算机板向多功能避障敏感器发送成像指令，向主/备份图像处理板发送校时指令；若事先设定不允许进行激光三维精避障，则记当前控制周期为第59控制周期，转入步骤9)；
4)控制计算机板向在第4、5个控制周期发送激光三维图像数据指令，同时记录第5个控制周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算；
5)控制计算机板在满足拍图条件后的第28个控制周期向主份图像处理板发送精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)；否则第29个周期向备份图像处理板发送精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)，否则转步骤6)；
6)控制计算机板在第30个控制周期向多功能避障敏感器发送成像指令；
7)控制计算机板在第34、35个控制周期向图像处理板发送激光三维图像数据指令，同时记录第35个控制周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算；
8)控制计算机在第58个控制周期向主份图像处理板发送激光精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)；否则第59周期向备份图像处理板发送激光精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)，否则转步骤9)；
9)若地面事先设定允许进行双目精避障，则控制计算机在第60个控制周期置图像处理板的主份当班，向图像处理板的主份发送立体成像数据指令，记录绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算，获取图像处理板的主份应答，若通讯正常，转步骤10)；若发生通讯错误，则指定图像处理板的备份当班，转步骤11)；若地面事先设定不允许进行双目精避障，转步骤11)；
10)控制计算机在第92个控制周期向主份图像处理板发送双目精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)；否则在第93周期向备份图像处理板发送双目精避障安全点信息获取指令，转步骤11)；
11)进入避障机动阶段后第1个控制周期，若此前两次激光三维成像成功获取安全点，控制计算机向主/备份图像处理板发送指令，下传多功能激光三维图像；
12)进入避障机动阶段后第30个周期，恢复发送在轨周期性拍图指令。
优选的，粗避障的具体过程为：
在图像处理板收取到光学避障敏感器或多功能避障敏感器的图像数据后，将光学像面分为16×16个网格，对每个网格区域进行纹理分析，通过对安全区评价及排序，综合推进剂消耗和安全概率大小，确定最优的安全着陆点信息，发送给控制计算机，控制计算机根据安全点矢量计算惯性系下目标着陆点的位置矢量及对应星时，引入到制导算法中，完成避障任务。
优选的，背罩规避的具体过程为：
在图像处理板收取到光学避障敏感器或多功能避障敏感器的图像数据后，将光学像面分为16×16个网格，判断每个网格中心点(Ui,Vj)到分割线的距离dis是否在D和E之间，若网格中心在可选安全区内，则安全概率置为1并记录网格位置，完成安全区初步筛选；
对初步筛选后安全概率为1的网格进行纹理分析，通过对安全区评价及排序，综合推进剂消耗和安全概率大小，确定最优的安全着陆点信息，发送给控制计算机，控制计算机根据安全点矢量计算惯性系下目标着陆点的位置矢量及对应星时，引入到制导算法中，完成避障任务；
分割线方程为UV坐标系内的直线方程A×U+B×V+C＝0，该分割线近似为着陆平台轨道面与当地水平面的交线在光学成像平面的投影，A为直线方程U的系数、B为直线方程V的系数、C为直线方程常数项、D为默认的轨道面外背罩规避距离、E为距离轨迹线的最大搜索距离；通过线上的两个点坐标即可获得分割线系数A、B、C，同时根据最小安全距离和燃耗允许情况确定沿轨道面外的最小避障距离D和最大避障距离E。
优选的，精避障的具体过程为：
精避障过程中，多功能避障敏感器激光三维成像模块及光学避障敏感器和多功能避障敏感器光学成像模块组成的双目立体光学系统发送着陆区的表面图像数据信息给EDCU的图像处理板，图像处理板的障碍识别与安全着陆区选取算法根据计算机板发送的绝对星时、惯性角速度和光轴距火面斜距等信息，处理着陆区表面图像和地形数据，确定安全着陆点；其中，激光三维成像通过代数式坡度拟合和障碍累计运算来获取安全点，双目立体成像采用单目障碍分析结合双目三维坡度分析的策略来确定安全点。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明针对火星表面地形复杂且无落区地形地貌高分辨率的先验数据的特点，提供了一种不依赖于在轨获取的着陆区影像的自主快速障碍识别与规避逻辑方法。
(2)本发明针对火星着陆过程中伞-背罩组合体与地形地貌障碍的统一规避需求，提供了粗避障和伞-背罩组合体规避的协同控制策略，通过抛背罩时刻的水平速度选择进行粗避障流程或伞-背罩组合体规避流程。
(3)本发明在伞-背罩组合体规避流程中，通过设置像平面上分割线的方法，获取符合安全策略的网格位置，之后采取与粗避障一致的纹理障碍识别、安全区评价及排序，综合推进剂消耗和安全概率大小给出最优的安全点信息。
(4)本发明在悬停精避障阶段，在激光三维成像的基础上，增加了利用光学避障敏感器和多功能避障敏感器光学避障模块进行双目精避障的冗余策略，使软着陆成功的概率得到提高。
(5)本发明在时序控制上，针对火星进入、下降与着陆过程的强时序要求，合理制定了进入下降控制单元、多功能避障敏感器和光学避障敏感器之间的数据传输和信息交互等工作时序，保证了在短时间内自主、快速地完成避障任务。
附图说明
图1为本发明的火星着陆过程阶段划分示意图。
图2为本发明的光学避障敏感器和进入下降控制单元信息交互示意图。
图3为本发明的多功能避障敏感器和进入下降控制单元信息交互示意图。
图4为本发明的多功能避障敏感器和光学避障敏感器组合使用示意图。
图5为本发明的光学避障敏感器和多功能避障敏感器光学成像模块像平面示意图。
图6为本发明图像处理板粗避障及伞-背罩组合体规避解算流程。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
着陆平台在着陆过程中的背罩规避、落区障碍识别与规避任务是由进入下降控制单元(Entry，Descent Control Unit，EDCU)、光学避障敏感器和多功能避障敏感器共同完成的，其中，EDCU含有控制计算机板和主/备份图像处理板等，是着陆过程的核心控制器，用于着陆过程中姿态与轨道控制解算、多功能避障敏感器和光学避障敏感器图像数据处理和安全点解算等。多功能避障敏感器包括激光三维成像模块及光学成像模块，激光三维成像模块由控制计算机板通过RS422串行总线直接控制，在悬停成像过程对落区进行激光三维成像，光学成像模块及光学避障敏感器由图像处理板的SPI串行总线进行成像控制，在大底分离后对落区进行光学成像。图像处理板为双机热备份设计，由控制计算机板硬线指定当班机，双机都能接收图像，并进行图像数据处理及安全点解算，但只有当班机能进行光学避障敏感器和多功能避障敏感器光学避障模块的成像控制，图像处理板可通过硬件地址获取自身主备份信息。进入下降控制单元与多功能避障敏感器、光学避障敏感器之间的信息交互如图2和图3所示，多功能避障敏感器和光学避障敏感器的组合使用时序如图4所示。
主要的时序控制流程为：
1)从伞降段抛大底指令发出后开始进行火星表面持续成像并将图像发送给数管分系统存储(着陆成功后根据需求将图像数据从数管分系统下行至地面)；
2)动力规避起始，利用光学避障敏感器及多功能避障敏感器光学成像模块(简称光学成像模块)进行火星表面光学成像及安全点计算功能，根据粗避障和伞-背罩组合体规避协同控制策略计算粗避障/背罩规避机动的方向，并将图像传送给数管分系统存储；
3)悬停成像阶段利用多功能避障敏感器激光三维成像模块(简称激光成像模块)进行激光三维火星表面测量及安全点计算，并将图像传送给数管分系统存储；在进行两次激光三维成像均无法获取安全点时，利用光学避障敏感器及光学成像模块进行立体双目成像及安全点计算，并将图像传送给数管分系统存储；
4)悬停成像精避障结束后，继续利用光学避障敏感器及光学成像模块进行火星表面持续成像并将图像发送给数管分系统存储，直至安全着陆。
粗避障及背罩规避过程中，光学避障敏感器或多功能避障敏感器光学成像模块发送着陆区表面图像给EDCU的图像处理板，图像处理板的障碍识别与安全着陆区选取算法依据计算机板发送的背罩规避参数信息或粗避障成像数据信息进行伞-背罩组合体规避解算或粗避障解算。两种指令发送的依据是探测器水平速度，在抛背罩时刻水平速度大于25m/s时，则认为着陆过程中着陆平台和伞-背罩组合体可保持安全距离，不进行伞-背罩组合体规避，仅进行粗避障流程，发送粗避障成像数据信息；在水平速度小于25m/s时，进行背罩规避流程，发送背罩规避参数信息，背罩规避参数信息中A为直线方程U的系数、B为直线方程V的系数、C为直线方程常数项、D为默认的轨道面外背罩规避距离、E为距离轨迹线的最大搜索距离；如图5，其中分割线方程为UV坐标系(由成像敏感器像平面确定的直角坐标系)内的直线方程A×U+B×V+C＝0，该分割线近似为着陆平台轨道面与当地水平面的交线在光学成像平面的投影，通过线上的两个点坐标即可获得分割线系数A、B、C，同时根据最小安全距离和燃耗允许情况确定沿轨道面外的最小避障距离D和最大避障距离E。在伞-背罩组合体规避解算过程中，在图像处理板收取到光学避障敏感器或多功能避障敏感器的图像数据后，将光学像面分为16×16个网格，判断每个网格中心点(Ui,Vj)到分割线的距离dis是否在D和E之间，若网格中心在可选安全区内，则安全概率置为1并记录网格位置，完成安全区初步筛选。之后，与粗避障算法一致，背罩规避算法将进行纹理障碍分析，只不过粗避障对将像面分为的16×16个网格内每个区域进行纹理分析，背罩规避仅对初步筛选后安全概率为1的网格进行纹理分析，在此基础上，通过对安全区评价及排序，综合推进剂消耗和安全概率大小，确定最优的安全着陆点信息，发送给控制计算机，控制计算机根据安全点矢量计算惯性系下目标着陆点的位置矢量及对应星时，引入到制导算法中，完成避障任务。图像处理板粗避障及伞-背罩组合体规避解算流程如图6所示。
精避障过程中，多功能避障敏感器激光三维成像模块及光学避障敏感器和多功能避障敏感器光学成像模块组成的双目立体光学系统发送着陆区的表面图像数据信息给EDCU的图像处理板，图像处理板的障碍识别与安全着陆区选取算法根据计算机板发送的绝对星时、惯性角速度和光轴距火面斜距等信息，处理着陆区表面图像和地形数据，确定安全着陆点(其中，激光三维成像通过代数式坡度拟合和障碍累计运算来获取安全点，双目立体成像采用单目障碍分析结合双目三维坡度分析的策略来确定安全点)。设计思路是最多进行三次图像处理，前两次用激光三维成像模块数据，最后一次用双目立体光学系统数据，任一次图像处理获得安全点则退出避障序列，图像处理板发送安全点矢量信息和安全概率等信息给控制计算机，引入到制导算法中，完成避障任务。
在具体实施过程中，分为在轨周期性拍图流程、在轨背罩规避流程、在轨粗避障流程和在轨精避障流程，在着陆过程中各流程是否启动均可由地面设定。各流程时序如下：
A.在轨周期性拍图流程
抛大底指令发出的第1拍，EDCU控制计算机板自主开始以约4s间隔向图像处理板发送在轨周期性拍图指令。
B.在轨背罩规避流程
1)在探测器到达2.0km的当拍控制周期(每控制周期0.128s)，EDCU控制计算机板停止发送在轨周期性拍图指令；转步骤2)；
2)间隔4个控制周期后，EDCU向图像处理板发送校时指令，并口置图像处理板主份当班；
3)完成步骤2)后，在满足可以进行光学成像的高度和姿态角速度时，EDCU控制计算机板向图像处理板主备份发送如图5中背罩规避参数信息(记为第1个控制周期)，控制计算机板应用软件记录发指令周期以及下一周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I等数据，用于获取到安全点信息后着陆平台相对安全点相对导航位置和速度信息的解算，同时获取图像处理板主份应答，若通讯正常，转步骤4)；若发生通讯错误，则指定图像处理板备份当班，转步骤5)；
4)在第13个周期，控制计算机板向图像处理板主份发规避方向获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；若主份未获得安全点解算结果，转入步骤5)；
5)在第14个周期，控制计算机板向图像板备份发规避方向获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；
6)在第49个周期，控制计算机板恢复发送在轨周期性拍图指令；
C.在轨粗避障流程
1)在探测器距火面高度2km的当拍控制周期，EDCU控制计算机板停止发送在轨周期性拍图指令；转步骤2)；
2)间隔4个周期后，EDCU控制计算机板向图像处理板发送校时指令，并口置图像处理板主份当班；
3)完成步骤2)后，在满足可以进行光学成像的高度和姿态角速度时，EDCU控制计算机板向图像处理板主备份发送APS成像数据指令(设定安全区搜索范围)(记为第1个周期)，软件记录发指令周期以及下一周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I等数据，用于获取到安全点信息后着陆平台相对安全点相对导航位置和速度信息的解算，同时获取图像处理板主份应答，若通讯正常，转步骤4)；若发生通讯错误，则指定图像处理板备份当班，转步骤5)；
4)在第13个周期，控制计算机板向图像处理板主份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；若主份未获得安全点解算结果，转入步骤5)；
5)在第14个周期，向图像处理板备份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；
6)在第49个周期，控制计算机板恢复发送在轨周期性拍图指令；
D.三维精避障流程
1)在动力规避阶段，探测器首次低于250m高时，且地面事先设定允许进行激光三维精避障或双目精避障时，EDCU控制计算机板停止发送在轨周期性拍图指令，启动精避障流程；
2)完成步骤1后间隔32个控制周期，若地面事先设定允许进行双目精避障，向图像处理板发送双目标定指令(设定光轴距火面斜距R，用于双目自主在轨标定)；
3)在悬停高度、速度、姿态角度等满足拍图条件的当拍周期(记为第0个控制周期)，若事先设定允许进行激光三维精避障，则EDCU控制计算机板向多功能避障敏感器发送成像指令，向图像处理板发送校时指令；若事先设定不允许进行激光三维精避障，则记当前控制周期为第59控制周期，转入步骤9)；
4)EDCU的计控制计算机板在第4，5个控制周期向图像处理板发送激光三维图像数据指令，同时记录第5个控制周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I等数据，用于获取到安全点信息后着陆平台相对安全点相对导航位置和速度信息的解算；
5)EDCU的控制计算机板在满足拍图条件后的第28个控制周期向主份图像处理板发送精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)；否则第29个周期向备份图像处理板发送精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)，否则转步骤6)；
6)EDCU的控制计算机板在第30个控制周期向多功能避障敏感器发送成像指令；
7)EDCU的控制计算机板在第34、35个控制周期向图像处理板发送激光三维图像数据指令，同时记录第35个控制周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I等数据，用于获取到安全点信息后着陆平台相对安全点相对导航位置和速度信息的解算；
8)EDCU的控制计算机板在第58个控制周期向主份图像处理板发送激光精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)；否则第59周期向备份图像处理板发送激光精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)，否则转步骤9)；
9)若地面事先设定允许进行双目精避障，则EDCU的控制计算机板在第60个控制周期并口置图像处理板主份当班，之后向图像处理板主备份发送立体成像数据指令，记录绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I等数据，用于获取到安全点信息后着陆平台相对安全点相对导航位置和速度信息的解算，获取图像板主份应答，若通讯正常，转步骤10)；若发生通讯错误，则指定图像处理板备份当班，转步骤11)；若地面事先设定不允许进行双目精避障，转步骤11)；
10)EDCU的控制计算机板在第92个控制周期向主份图像处理板发送双目精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)；否则在第93周期向备份图像处理板发送双目精避障安全点信息获取指令，转步骤11)；
11)进入避障机动阶段后第1个控制周期，若此前两次激光三维成像成功获取安全点，应用软件向图像处理板发送指令，下传多功能激光三维图像；
12)进入避障机动阶段后第30个周期，控制计算机板恢复发送在轨周期性拍图指令。
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。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法，探测器上配置有进入下降控制单元、多功能避障敏感器和光学避障敏感器，其中，进入下降控制单元包括控制计算机板和图像处理板，用于安全着陆点解算和避障控制，多功能避障敏感器和光学避障敏感器用于获取着陆区图像数据，多功能避障敏感器包括激光三维成像模块和光学成像模块，其特征在于，包括如下步骤：
当探测器的高度下降到第一预设门限时，对探测器的水平速度进行判断；如果探测器的水平速度大于预设门限进行粗避障，否则进行背罩规避；
粗避障的方法为：利用光学成像模块或光学避障敏感器，基于设定安全区搜索范围，获取着陆区表面图像，确定安全着陆点信息；
背罩规避的方法为：利用光学成像模块或光学避障敏感器，基于背罩规避参数信息，获取着陆区表面图像，确定安全着陆点信息；
当探测器的高度继续下降到第二预设门限时，进行精避障；
精避障的方法为：对图像最多进行三次处理，其中前两次用激光三维成像模块获取的数据，第三次用光学避障敏感器和光学成像模块获取的数据，任一次图像处理后能够获得安全着陆点信息，则完成精避障。
2.根据权利要求1所述的多策略避障逻辑及控制方法，其特征在于，粗避障的时序为：
1)控制计算机板在探测器到达第一预设门限高度对应的当拍控制周期，停止发送在轨周期性拍图指令；
2)间隔4个周期后，控制计算机板向主/备份图像处理板发送校时指令，并置图像处理板的主份当班；
3)在满足进行光学成像的高度和姿态角速度时，控制计算机板向图像处理板的主份发送APS成像数据指令，并设定安全区搜索范围，同时记为第1个周期，记录发指令周期以及下一周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算，同时获取图像处理板的主份应答，若通讯正常，转步骤4)；若发生通讯错误，则控制计算机板指定图像处理板的备份当班，转步骤5)；
4)控制计算机板在第13个周期，向图像处理板的主份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率，转步骤6)；若图像处理板的主份未获得安全点解算结果，转入步骤5)；
5)控制计算机板在第14个周期，控制计算机板向图像处理板的备份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；
6)控制计算机板在第49个周期，恢复发送在轨周期性拍图指令。
3.根据权利要求1所述的多策略避障逻辑及控制方法，其特征在于，背罩规避的时序为：
1)控制计算机板在探测器高度到达第一预设门限高度对应的当拍控制周期，停止发送在轨周期性拍图指令；
2)间隔4个周期后，控制计算机板向主/备份图像处理板发送校时指令，并置图像处理板的主份当班；
3)在满足进行光学成像的高度和姿态角速度时，控制计算机板向图像处理板的主份发送APS成像数据指令，并发送背罩规避参数信息，同时记为第1个周期，记录发指令周期以及下一周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算，同时获取图像处理板的主份应答，若通讯正常，转步骤4)；若发生通讯错误，则控制计算机板指定图像处理板的备份当班，转步骤5)；
4)控制计算机板在第13个周期，向图像处理板的主份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率，转步骤6)；若图像处理板的主份未获得安全点解算结果，转入步骤5)；
5)控制计算机板在第14个周期，控制计算机板向图像处理板的备份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；
6)控制计算机板在第49个周期，恢复发送在轨周期性拍图指令。
4.根据权利要求1所述的多策略避障逻辑及控制方法，其特征在于，精避障的时序为：
1)在探测器到达预设高度，且地面事先设定允许进行激光三维精避障或双目精避障时,控制计算机板停止发送在轨周期性拍图指令，启动精避障流程；
2)间隔32个控制周期，若地面事先设定允许进行双目精避障，控制计算机向主/备份图像处理板发送双目标定指令；
3)在悬停高度、速度、姿态角度满足拍图条件的当拍周期，记为第0个控制周期，若事先设定允许进行激光三维精避障，则控制计算机板向多功能避障敏感器发送成像指令，向主/备份图像处理板发送校时指令；若事先设定不允许进行激光三维精避障，则记当前控制周期为第59控制周期，转入步骤9)；
4)控制计算机板向在第4、5个控制周期发送激光三维图像数据指令，同时记录第5个控制周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算；
5)控制计算机板在满足拍图条件后的第28个控制周期向主份图像处理板发送精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)；否则第29个周期向备份图像处理板发送精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)，否则转步骤6)；
6)控制计算机板在第30个控制周期向多功能避障敏感器发送成像指令；
7)控制计算机板在第34、35个控制周期向图像处理板发送激光三维图像数据指令，同时记录第35个控制周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算；
8)控制计算机在第58个控制周期向主份图像处理板发送激光精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)；否则第59周期向备份图像处理板发送激光精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)，否则转步骤9)；
9)若地面事先设定允许进行双目精避障，则控制计算机在第60个控制周期置图像处理板的主份当班，向图像处理板的主份发送立体成像数据指令，记录绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算，获取图像处理板的主份应答，若通讯正常，转步骤10)；若发生通讯错误，则指定图像处理板的备份当班，转步骤11)；若地面事先设定不允许进行双目精避障，转步骤11)；
10)控制计算机在第92个控制周期向主份图像处理板发送双目精避障安全点信息获取指令，如获取安全点，则转步骤11)；否则在第93周期向备份图像处理板发送双目精避障安全点信息获取指令，转步骤11)；
11)进入避障机动阶段后第1个控制周期，若此前两次激光三维成像成功获取安全点，控制计算机向主/备份图像处理板发送指令，下传多功能激光三维图像；
12)进入避障机动阶段后第30个周期，控制计算机恢复发送在轨周期性拍图指令。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多策略避障逻辑及控制方法，其特征在于，粗避障的具体过程为：
在图像处理板收取到光学避障敏感器或多功能避障敏感器的图像数据后，将光学像面分为16×16个网格；在每个网格区域进行纹理分析，通过对安全区评价及排序，综合推进剂消耗和安全概率大小，确定最优的安全着陆点信息，发送给控制计算机，控制计算机根据安全点矢量计算惯性系下目标着陆点的位置矢量及对应星时，引入到制导算法中，完成避障任务。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的多策略避障逻辑及控制方法，其特征在于，背罩规避的具体过程为：
在图像处理板收取到光学避障敏感器或多功能避障敏感器的图像数据后，将光学像面分为16×16个网格，判断每个网格中心点(Ui,Vj)到分割线的距离dis是否在D和E之间，若网格中心在可选安全区内，则安全概率置为1并记录网格位置，完成安全区初步筛选；
对初步筛选后安全概率为1的网格进行纹理分析，通过对安全区评价及排序，综合推进剂消耗和安全概率大小，确定最优的安全着陆点信息，发送给控制计算机，控制计算机根据安全点矢量计算惯性系下目标着陆点的位置矢量及对应星时，引入到制导算法中，完成避障任务；
分割线方程为UV坐标系内的直线方程A×U+B×V+C＝0，该分割线近似为着陆平台轨道面与当地水平面的交线在光学成像平面的投影，A为直线方程U的系数、B为直线方程V的系数、C为直线方程常数项、D为默认的轨道面外背罩规避距离、E为距离轨迹线的最大搜索距离；通过线上的两个点坐标即可获得分割线系数A、B、C，同时根据最小安全距离和燃耗允许情况确定沿轨道面外的最小避障距离D和最大避障距离E。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的多策略避障逻辑及控制方法，其特征在于，精避障的具体过程为：
精避障过程中，多功能避障敏感器激光三维成像模块及光学避障敏感器和多功能避障敏感器光学成像模块组成的双目立体光学系统发送着陆区的表面图像数据信息给EDCU的图像处理板，图像处理板的障碍识别与安全着陆区选取算法根据计算机板发送的绝对星时、惯性角速度和光轴距火面斜距等信息，处理着陆区表面图像和地形数据，确定安全着陆点；其中，激光三维成像通过代数式坡度拟合和障碍累计运算来获取安全点，双目立体成像采用单目障碍分析结合双目三维坡度分析的策略来确定安全点。
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Also Published As
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