CN114022637A - 一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统及方法，高保真度视觉仿真系统包括任务管理与可视化子系统、三维网格编辑与优化子系统、环境配置与更新子系统、视觉图像渲染子系统、数据输入输出子系统，应用于深空探测视觉导航系统的前期设计和验证过程当中，可以提供高质量的全阶段仿真图像，通过获取的仿真图像实现火星探测精确定点着陆，能够对大多数深空天体进行图像渲染，对各类深空探测任务具有可拓展性和适应性。

Description

一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统及方法，属于航天器自主导航领域。

背景技术

利用视觉信息进行自主导航是实现火星探测精确定点着陆任务的重要手段之一。然而，由于火星距离遥远、探测器研制费用昂贵，所以必须要建立高保真度的仿真环境来模拟接近、下降和着陆过程中的序列图像，以对视觉导航系统进行预先设计和验证，从而加速研制进程并降低研制成本。

半物理仿真可以模拟真实感较强的系统环境，包括经过放缩后的目标天体模型以及传感系统和控制系统等，但也存在诸多限制，例如：(1)受系统误差的影响，无法精确测定探测器相对于目标的真实位姿关系和运动状态，故难以对导航系统进行有效地验证和正确地评价；(2)仿真平台的研制难度大、成本高、周期长，且操作复杂、需要进行标定。与此相反，数学仿真能够在真实尺度的环境下模拟各个阶段中导航所需的序列图像，同时精确提供探测器相对于目标的真实位姿关系和运动状态等参考信息，从而保证对导航系统进行可靠的验证与全面的评价。然而，目前已有的图像仿真系统还存在一些不足，包括：(1)图像质量无法满足要求，或运行效率低下；(2)图像最大分辨率较低，无法模拟最终着陆段的序列图像；(3)系统集成度不高，且缺乏简洁统一的用户接口，导致使用不方便、操作难度大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中存在的不足，提出了一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，可以为视觉导航系统的设计与验证提供全阶段的高保真度仿真图像，有利于缩短其研发周期。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，包括任务管理与可视化子系统、三维网格编辑与优化子系统、环境配置与更新子系统、视觉图像渲染子系统、数据输入输出子系统，其中：

任务管理与可视化子系统：用于对图像仿真任务进行管理与控制，同时在显示器上输出当前运行信息并与用户进行交互；

三维网格编辑与优化子系统：用于对参与仿真的环境要素模型进行编辑与优化；

环境配置与更新子系统：针对具体图像仿真任务配置相应的仿真环境，并根据输入参数对其进行更新，为后续的图像渲染做准备；

视觉图像渲染子系统：根据当前配置的环境参数渲染相机所观察到的图像；

数据输入输出子系统：用于读入外部数据来对图像仿真环境和仿真进程进行参数配置，并将仿真结果保存到指定路径。

所述任务管理与可视化子系统包括控制模块、通信模块、显示模块，所述控制模块根据当前图像仿真任务进行管理与控制，通过通信模块与用户进行信息交互，并通过显示模块进行当前任务运行信息的显示。

所述三维网格编辑与优化子系统包括模型读取模块、模型保存模块、模型编辑与优化模块，模型读取模块对参与仿真的环境要素进行读取，模型保存模块将读取所得模型进行保存，并通过模型编辑与优化模块进行编辑与优化，并通过任务管理与可视化子系统进行用户交互及显示。

所述环境配置与更新子系统包括目标天体模型模块、探测器模型模块、恒星星历模块、光照模块、摄像机模块、参数设置模块，目标天体模型模块、探测器模型模块根据模型读取模块读取到的环境要素类型进行模型模拟，通过恒星星历模块、光照模块、摄像机模块为当前图像仿真任务配置相应的仿真环境，并通过参数设置模块进行参数更新。

所述视觉图像渲染子系统通过三维图像渲染模块，根据环境配置与更新子系统配置的环境参数进行相机图像渲染处理。

所述数据输入输出子系统包括数据读入模块与数据保存模块，数据读入模块用于将外部数据读入内存并对其进行格式处理，为仿真环境的配置做准备，数据保存模块用于将仿真结果按照对应的格式保存到指定的路径。

一种深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真方法，步骤如下：

(1)任务管理与可视化子系统通过调用数据输入输出子系统读取仿真配置文件并载入计算机内存，进行统一调度，将所有仿真配置文件发送至对应子系统进行配置，并将当前执行的图像仿真任务及相关参数进行显示；

(2)于进行图像仿真前，通过三维网格编辑与优化子系统接收任务管理与可视化子系统发送的目标天体三维网格模型，并对其表面地形特征进行表征，对着陆区域附近的三维网格进行插值并添加地形细节，于着陆轨迹的任意位置处设置满足图像仿真所需的最低空间分辨率，并减少插值数据以降低仿真任务硬件所需内存；

(3)环境配置与更新子系统接收来自任务管理与可视化子系统的系统参数以及三维网格编辑与优化子系统输出的目标天体多尺度网格模型，进行仿真环境配置，根据目标天体的自旋轴在惯性空间中的指向设置其初始姿态，添加平行光源并设置其方向和强度，添加相机并设置其内参矩阵，设置环境光、阴影模式；

(4)视觉图像渲染子系统接收来自任务管理与可视化子系统的状态参数以及环境配置与更新子系统配置好的仿真环境，并启动图像渲染流程，循环进行图像渲染流程直至获取目标天体三维网格模型完整着陆轨迹的仿真图像。

所述步骤(1)中，仿真配置文件包括探测器轨迹、姿态序列状态参数、光照方向及强度、相机内参矩阵参数，分别发送至探测器模型模块、参数设置模块、光照模块、摄像机模块。

所述步骤(4)中，所述图像渲染流程具体为：

于任务管理与可视化子系统发送的状态参数中，读取一个状态节点，调用环境配置与更新子系统对目标天体的位置和姿态、探测器的位置和姿态参数进行更新，并调用三维图像渲染引擎对场景进行渲染，将仿真图像发送至任务管理与可视化子系统以及数据输入输出子系统进行实时显示与数据保存。

所述任务管理与可视化子系统、三维网格编辑与优化子系统、环境配置与更新子系统、视觉图像渲染子系统、数据输入输出子系统组成的深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统可进行全天候图像仿真处理。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，设计了任务管理与可视化子系统，为深空探测视觉导航的图像仿真问题提供了一体化的解决方案，同时设计了三维网格编辑与优化子系统，对目标表面地形特征进行多尺度表达，使其在满足图像仿真所需的最低空间分辨率的基础上，最大限度地减少环境要素的数据量，降低了仿真系统对计算机硬件的需求，实现了VSS在全阶段进行图像仿真的目标；

(2)本发明提供的高保真度视觉仿真系统及仿真方法，设计了视觉图像渲染子系统，将光照、大气、天体表面反照率、阴影等环境参数考虑在内，使VSS能够对大多数深空天体进行图像渲染，从而对各类深空探测任务具有可拓展性和适应性，并通过逻辑清晰的方法步骤，能实现渲染图像的完整获取，辅助获取整个着陆轨迹的仿真图像。

附图说明

图1为发明提供的高保真度视觉仿真系统示意图；

图2为发明提供的高保真度视觉仿真方法示意图；

具体实施方式

一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统及方法，应用于深空探测视觉导航系统的前期设计和验证过程当中，可以提供高质量的全阶段仿真图像，即接近段、环绕段、下降段和着陆段，通过获取的仿真图像实现火星探测精确定点着陆，深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统主要包括任务管理与可视化子系统、三维网格编辑与优化子系统、环境配置与更新子系统、视觉图像渲染子系统、数据输入输出子系统，其中：

任务管理与可视化子系统：用于对图像仿真任务进行管理与控制，同时在显示器上输出当前运行信息并与用户进行交互；

任务管理与可视化子系统包括控制模块、通信模块、显示模块，所述控制模块根据当前图像仿真任务进行管理与控制，通过通信模块与用户进行信息交互，并通过显示模块进行当前任务运行信息的显示；

三维网格编辑与优化子系统：用于对参与仿真的环境要素模型进行编辑与优化；

三维网格编辑与优化子系统包括模型读取模块、模型保存模块、模型编辑与优化模块，模型读取模块对参与仿真的环境要素进行读取，模型保存模块将读取所得模型进行保存，并通过模型编辑与优化模块进行编辑与优化，并通过任务管理与可视化子系统进行用户交互及显示；

环境配置与更新子系统：针对具体图像仿真任务配置相应的仿真环境根据输入参数对其进行更新，为后续的图像渲染做准备；

环境配置与更新子系统包括目标天体模型模块、探测器模型模块、恒星星历模块、光照模块、摄像机模块、参数设置模块，目标天体模型模块、探测器模型模块根据模型读取模块读取到得环境要素类型进行模型模拟，通过恒星星历模块、光照模块、摄像机模块实现当前图像仿真任务配置相应的仿真环境，并通过参数设置模块进行参数更新；

视觉图像渲染子系统：根据当前配置的环境参数渲染相机所观察到的图像；

视觉图像渲染子系统通过三维图像渲染模块，根据环境配置与更新子系统配置的环境参数进行相机图像渲染处理；

数据输入输出子系统：用于读入外部数据来对图像仿真环境和仿真进程进行参数配置，并将仿真结果保存到指定路径；

数据输入输出子系统包括数据读入模块与数据保存模块，数据读入模块用于将外部数据读入内存并对其进行格式处理，为仿真环境的配置做准备，数据保存模块用于将仿真结果按照对应的格式保存到指定的路径。

根据深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统可以采取的一种深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真方法，具体步骤如下：

(1)任务管理与可视化子系统通过调用数据输入输出子系统读取仿真配置文件并载入计算机内存，进行统一调度，将所有仿真配置文件发送至对应子系统进行配置，并将当前执行的图像仿真任务及相关参数进行显示；

仿真配置文件包括探测器轨迹、姿态序列状态参数、光照方向及强度、相机内参矩阵参数，分别发送至探测器模型模块、参数设置模块、光照模块、摄像机模块；

(2)于进行图像仿真前，通过三维网格编辑与优化子系统接收任务管理与可视化子系统发送的目标天体三维网格模型，并对其表面地形特征进行表征，对着陆区域附近的三维网格进行插值并添加地形细节，于着陆轨迹的任意位置处设置足图像仿真所需的最低空间分辨率，并减少插值数据以降低仿真任务硬件所需内存；

(3)环境配置与更新子系统接收来自任务管理与可视化子系统的系统参数以及三维网格编辑与优化子系统输出的目标天体多尺度网格模型，进行仿真环境配置，根据目标天体的自旋轴在惯性空间中的指向设置其初始姿态，添加平行光源并设置其方向和强度，添加相机并设置其内参矩阵，设置环境光、阴影模式；

(4)视觉图像渲染子系统接收来自任务管理与可视化子系统的状态参数以及环境配置与更新子系统配置好的仿真环境，并启动图像渲染流程，循环进行图像渲染流程直至获取目标天体三维网格模型完整着陆轨迹的仿真图像，具体的，图像渲染流程具体为：

于任务管理与可视化子系统发送的状态参数中，读取一个状态节点，调用环境配置与更新子系统对目标天体的位置和姿态、探测器的位置和姿态参数进行更新，并调用三维图像渲染引擎对场景进行渲染，将仿真图像发送至任务管理与可视化子系统以及数据输入输出子系统进行实时显示与数据保存。

任务管理与可视化子系统、三维网格编辑与优化子系统、环境配置与更新子系统、视觉图像渲染子系统、数据输入输出子系统组成的深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统可进行全天候图像仿真处理。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在当前实施例中，如图1、图2所示，面向深空探测视觉导航系统的设计与验证，考虑到其对高质量、全阶段仿真图象的迫切需求，提出了一种高保真度视觉仿真系统VSS，秉承模块化设计的思想，设计了包括任务管理与可视化子系统、三维网格编辑与优化子系统、环境配置与更新子系统、视觉图像渲染子系统和数据输入输出子系统等五个子系统的仿真系统，利用VSS可以为视觉导航系统的设计与验证提供全阶段的高保真度仿真图像，具体为：

(1)任务管理与可视化子系统

包括控制模块、通信模块和显示模块，用于对图像仿真任务进行管理与控制，同时在显示器上输出当前运行信息并与用户进行交互。

(2)三维网格编辑与优化子系统

包括模型读取模块、模型保存模块、模型编辑与优化模块、通信模块、显示模块，用于对目标天体模型、探测器模型等参与仿真的环境要素进行编辑与优化，以提高仿真图像的质量并降低系统对计算机硬件的需求。

(3)环境配置与更新子系统

包括目标天体模型(含大气模型)、探测器模型、恒星星历模块、光照模块、摄像机模块、通信模块、显示模块和参数设置模块，用于针对具体任务配置相应的仿真环境，并根据输入参数对其进行更新，为后续的图像渲染子系统做准备。

(4)视觉图像渲染子系统

包括目标天体模型(含大气模型)、探测器模型、恒星星历模块、光照模块、摄像机模块、通信模块、显示模块和三维图像渲染模块，用于根据当前配置的环境参数渲染相机所观察到的图像。

(5)数据输入输出子系统

包括数据读入与保存模块及相应的格式、数据分析与处理模块、通信模块和显示模块，用于读入外部数据来对图像仿真环境和仿真进程进行参数配置，并将仿真结果保存到指定路径。

根据上述系统提出的高保真度视觉仿真方法，具体步骤如下：

第一步，任务管理与可视化子系统通过调用数据输入输出子系统读取仿真配置文件并载入计算机内存。该配置文件包括：探测器的轨迹和姿态序列等状态参数，目标天体和探测器的三维网格模型、目标自旋轴/周期、着陆点的三维位置、光照方向/强度和导航相机的内参矩阵等系统参数。这些数据将由任务管理与可视化子系统进行统一调度，并发送给其他子系统以实现特定的功能，同时将当前执行的任务和相关参数显示在输出设备上，方便操作员与系统进行交互；

第二步，在实施图像仿真之前，三维网格编辑与优化子系统接收来自任务管理与可视化子系统的目标天体三维网格模型，并对其表面地形特征进行多尺度表达，对着陆区域附近的三维网格进行多尺度插值并添加地形细节，使其在着陆轨迹的任何位置均满足图像仿真所需的最低空间分辨率，与此同时最大限度地减少插值数据，以降低仿真系统对计算机硬件的需求，如内存、CPU和GPU等；

第三步，环境配置与更新子系统接收来自任务管理与可视化子系统的系统参数以及三维网格编辑与优化子系统输出的目标天体多尺度网格模型，并开始配置仿真环境，即：根据目标天体的自旋轴在惯性空间中的指向设置其初始姿态，添加平行光源并设置其方向和强度，添加相机并设置其内参矩阵，设置环境光、阴影模式等；

第四步，视觉图像渲染子系统接收来自任务管理与可视化子系统的状态参数以及环境配置与更新子系统配置好的仿真环境，并启动图像渲染流程。该子系统首先从状态参数序列中读取一个状态节点，再调用环境配置与更新子系统对目标天体的位置和姿态(自旋角度)以及探测器的位置和姿态等参数进行更新，然后调用三维图像渲染引擎对场景进行渲染，最后将仿真图像发送给任务管理与可视化子系统以及数据输入输出子系统进行实时显示与数据保存。循环执行以上流程即可得到整个着陆轨迹的仿真图像。

通过深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统及方法，能够实现对目标表面地形特征进行多尺度表达，最大限度地减少环境要素的数据量，降低了仿真系统对计算机硬件的需求，并对各类深空探测任务具有可拓展性和适应性，能够对大多数深空天体进行图像渲染。

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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，其特征在于：

包括任务管理与可视化子系统、三维网格编辑与优化子系统、环境配置与更新子系统、视觉图像渲染子系统、数据输入输出子系统，其中：

任务管理与可视化子系统：用于对图像仿真任务进行管理与控制，同时在显示器上输出当前运行信息并与用户进行交互；

三维网格编辑与优化子系统：用于对参与仿真的环境要素模型进行编辑与优化；

环境配置与更新子系统：针对具体图像仿真任务配置相应的仿真环境，并根据输入参数对其进行更新，为后续的图像渲染做准备；

视觉图像渲染子系统：根据当前配置的环境参数渲染相机所观察到的图像；

数据输入输出子系统：用于读入外部数据来对图像仿真环境和仿真进程进行参数配置，并将仿真结果保存到指定路径。

2.根据权利要求1所述的一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，其特征在于：

所述任务管理与可视化子系统包括控制模块、通信模块、显示模块，所述控制模块根据当前图像仿真任务进行管理与控制，通过通信模块与用户进行信息交互，并通过显示模块进行当前任务运行信息的显示。

3.根据权利要求2所述的一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，其特征在于：

所述三维网格编辑与优化子系统包括模型读取模块、模型保存模块、模型编辑与优化模块，模型读取模块对参与仿真的环境要素进行读取，模型保存模块将读取所得模型进行保存，并通过模型编辑与优化模块进行编辑与优化，并通过任务管理与可视化子系统进行用户交互及显示。

4.根据权利要求3所述的一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，其特征在于：

所述环境配置与更新子系统包括目标天体模型模块、探测器模型模块、恒星星历模块、光照模块、摄像机模块、参数设置模块，目标天体模型模块、探测器模型模块根据模型读取模块读取到的环境要素类型进行模型模拟，通过恒星星历模块、光照模块、摄像机模块为当前图像仿真任务配置相应的仿真环境，并通过参数设置模块进行参数更新。

5.根据权利要求4所述的一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，其特征在于：

所述视觉图像渲染子系统通过三维图像渲染模块，根据环境配置与更新子系统配置的环境参数进行相机图像渲染处理。

6.根据权利要求5所述的一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，其特征在于：

所述数据输入输出子系统包括数据读入模块与数据保存模块，数据读入模块用于将外部数据读入内存并对其进行格式处理，为仿真环境的配置做准备，数据保存模块用于将仿真结果按照对应的格式保存到指定的路径。

7.一种根据权利要求1所述的深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真方法，其特征在于步骤如下：

(1)任务管理与可视化子系统通过调用数据输入输出子系统读取仿真配置文件并载入计算机内存，进行统一调度，将所有仿真配置文件发送至对应子系统进行配置，并将当前执行的图像仿真任务及相关参数进行显示；

(2)于进行图像仿真前，通过三维网格编辑与优化子系统接收任务管理与可视化子系统发送的目标天体三维网格模型，并对其表面地形特征进行表征，对着陆区域附近的三维网格进行插值并添加地形细节，于着陆轨迹的任意位置处设置满足图像仿真所需的最低空间分辨率，并减少插值数据以降低仿真任务硬件所需内存；

(3)环境配置与更新子系统接收来自任务管理与可视化子系统的系统参数以及三维网格编辑与优化子系统输出的目标天体多尺度网格模型，进行仿真环境配置，根据目标天体的自旋轴在惯性空间中的指向设置其初始姿态，添加平行光源并设置其方向和强度，添加相机并设置其内参矩阵，设置环境光、阴影模式；

(4)视觉图像渲染子系统接收来自任务管理与可视化子系统的状态参数以及环境配置与更新子系统配置好的仿真环境，并启动图像渲染流程，循环进行图像渲染流程直至获取目标天体三维网格模型完整着陆轨迹的仿真图像。

8.根据权利要求7所述的一种深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，仿真配置文件包括探测器轨迹、姿态序列状态参数、光照方向及强度、相机内参矩阵参数，分别发送至探测器模型模块、参数设置模块、光照模块、摄像机模块。

9.根据权利要求7所述的一种深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，所述图像渲染流程具体为：

于任务管理与可视化子系统发送的状态参数中，读取一个状态节点，调用环境配置与更新子系统对目标天体的位置和姿态、探测器的位置和姿态参数进行更新，并调用三维图像渲染引擎对场景进行渲染，将仿真图像发送至任务管理与可视化子系统以及数据输入输出子系统进行实时显示与数据保存。

10.根据权利要求1所述的一种用于深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统，其特征在于：

所述任务管理与可视化子系统、三维网格编辑与优化子系统、环境配置与更新子系统、视觉图像渲染子系统、数据输入输出子系统组成的深空探测陆标导航的高保真度视觉仿真系统可进行全天候图像仿真处理。

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