CN117346735A - 一种行星表面勘测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行星表面勘测方法及系统，属于勘测技术领域，在该勘测方法中，向目标上方抛射带有摄像功能的飞行装置，飞行装置被抛射后在目标上方做斜抛运动，且在斜抛运动中对目标拍照，得到原始图像；通过对原始图像处理得到目标图像；或者飞行装置在斜抛运动结束落到行星表面后对行星表面进行勘测。该方法能够快速、精准获取行星表面设定区域地形、空间飞行物等目标图像，解决了卫星探测存在受限于轨道高度和日照条件导致探测精度有限，星球车存在的可视距离有限的问题。

Description

一种行星表面勘测方法及系统

技术领域

本发明属于勘测技术领域，具体涉及一种行星表面勘测方法及系统。

背景技术

为了实现对行星表面的勘测，很多时候需要获取行星表面设定区域地形的图像，而且，有时也需要获取空间飞行物等目标的图像，而获取图像通常需要通过卫星或通过星球车对目标进行拍照，但是卫星拍照受限于轨道高度和日照条件，对行星表面某一具体范围内的探测精度存在不足，而且发射更高精度卫星的成本高昂且收益不高；星球车等移动航天器只能实现前方约百米范围内的地形拍照，可视距离有限。

以月球探测任务为例，月面地形对航天员和月球车的安全有着至关重要的影响。月面的月海和高地区域内布满了撞击坑和大小不等的岩石，盲目进入未知区域可能造成航天员受困、月球车受损等后果。目前人类对月面地形图像的获取依赖于环月卫星、月球车等航天器，其中卫星拍照存在上述的受限于轨道高度和日照条件导致拍照精度有限，月球车存在上述的可视距离有限的问题。为确保航天员和月球车的安全，提高月面科考任务的探测效率和探测范围，对月面活动区域地形地貌的快速、精准获取十分必要。

在现有技术中，公布号为CN110360986A，名称为一种便携式星表局部地形测绘系统的中国发明专利，公开了如下技术方案：通过垂直向上抛射一个携带激光测距模块的测绘飞行器，利用其自身的旋转与自由上升下降运动，带动激光测距模块扫描周边区域，反演飞行器周边地形三维信息，用于行星、月球及小行星探测活动中，对星球表面局部地区的三维地形测绘，支持对陌生领域探索等活动。该方案根据宇航员的行动范围，当宇航员从星表面某个位置运动到抛射点时通过垂直向上抛射测绘飞行器测量周边地貌，可获得以抛射点为圆心的圆形区域地形。但是，该技术方案中，宇航员从星表面某个位置运动到抛射点的这段路程所在一侧相当于抛射点的后方，抛射点后方是宇航员已经走过的地形已知的区域，只有抛射点前方（与抛射点后方相对）宇航员还未走过的半圆形区域地形是未知的，也只有这部分未知区域测绘的结果更有价值，也就是说，该技术方案所获得的圆心区域地形中有很大一部分区域的地形是宇航员已经走过的地形已知区域，这使得该技术方案的测绘收益与付出的代价不匹配，而且因为需要对已知地形的三维信息做数据处理，使整个测绘系统更复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种行星表面勘测方法，通过斜抛飞行装置能够快速、精准获取行星表面设定区域地形、空间飞行物等目标图像，解决了卫星探测存在受限于轨道高度和日照条件导致探测精度有限，星球车存在的可视距离有限的问题。而且，通过该方法获得的全部地形在抛射飞行装置之前都是未知的，而不包含抛射飞行装置之前已知的地形，简化了勘测系统。

本发明提供的行星表面勘测方法采用以下技术方案：

向目标上方抛射带有摄像功能的飞行装置，飞行装置被抛射后在目标上方做斜抛运动，且在斜抛运动中对目标拍照，得到原始图像；通过对所述原始图像处理得到目标图像；或者飞行装置在斜抛运动结束落到行星表面后对行星表面进行勘测。

进一步地，所述目标为月面地形。

进一步地，所述月面地形的图像获取方法包括：

在航天器着陆月球前，向预定的月球着陆区域上方抛射所述飞行装置，所述飞行装装置在斜抛运动过程中对预定着陆区域的月面地形进行拍照，得到月面地形的原始图像，通过对月面地形的原始图像处理后还原出预定着陆区域的月面地形图像。

进一步地，对所述月面地形的原始图像进行包括畸变矫正、图像拼接在内的处理后还原出预定着陆区域的月面地形图像。

此外，本发明还提供了一种行星表面勘测系统，包括抛射装置、飞行装置以及图像处理装置；

所述抛射装置用于抛射所述飞行装置，使所述飞行装置做斜抛运动；

所述飞行装置用于在斜抛运动中对目标拍照，并将拍照获取的原始图像发送至图像处理装置；

所述图像处理装置用于对所述原始图像处理，获取目标图像；或者飞行装置在斜抛运动结束落到行星表面后对行星表面进行勘测。

进一步地，所述抛射装置为电磁弹射装置；

所述电磁弹射装置设置有出射角调节单元和测量单元；所述出射角调节单元能够调整所述飞行装置的出射角度；所述测量单元能够测量所述飞行装置的出射角度和出射速度。

进一步地，所述飞行装置包括电源模块、图像采集与存储模块、无线传输模块、姿控模块；

所述电源模块用于为所述飞行装置供电；

所述图像采集与存储模块用于对所述原始图像采集和存储；

所述无线传输模块用于实现所述飞行装置与所述图像处理装置的图像传输；

所述姿控模块能够使所述飞行装置的摄像头在斜抛运动中始终朝向目标。

进一步地，所述图像处理装置能够在对多张所述原始图像进行包括畸变矫正和图像拼接在内的处理后，还原出目标图像。

进一步地，所述系统用于月面地形图像获取。

有益效果：

1、向目标上方抛射带有摄像功能的飞行装置，使飞行装置在目标上方做斜抛运动中对目标拍照，得到原始图像，通过对原始图像处理得到目标图像；或者飞行装置在斜抛运动结束落到行星表面后对行星表面进行勘测。

如此，因为通过斜抛运动能够使飞行装置与目标的距离远小于卫星与目标的距离，避免了卫星探测受限于轨道高度和日照条件的不利影响，而且因为通过斜抛运动能够使飞行装置具有一定的周向拍照视野，解决了星球车等移动航天器只能实现前方约百米范围内的地形拍照，可视距离有限的问题。而且，因为飞行装置是相对抛射点向前运动，所以通过该方法获得的设定区域（抛射点前方区域）的全部地形在抛射飞行装置之前都是未知的，测绘收益与付出的代价匹配，而且不需要对已知地形做图像处理，简化了勘测系统。另外，可以通过斜抛进入行星表面坑洞进行采样，并且能够通过斜抛进行越障，进而能够更好地对行星表面进行勘测。

2、使飞行装置做斜抛运动，飞行装置在斜抛运动中对预定着陆区域的月面地形拍照，并且飞行装置将拍照获取的原始图像发送至图像处理装置，图像处理装置对月面地形的原始图像处理后还原出预定着陆区域的月面地形图像。

如此，由于月球无大气的原因，飞行装置上配置高清相机可以实现斜抛运动中对月面地形的拍照，并将飞行装置拍照获取的月面地形原始图像发送至图像处理装置，从而实现航天器在着陆月球前得到预定的月球着陆区域的精准地形图像的目的。而且，由于月球重力约为地球重力的六分之一，飞行装置自重更小，抛射装置的抛射动力也可以更小，进而抛射装置的规格也可以相应减小，同时，飞行装置在斜抛运动中具有更长的滞空时间，进而降低了对飞行装置上相机的性能要求，而且由于更长的滞空时间，能够提高飞行装置拍照获取的原始图像的质量。

3、姿控模块能够使飞行装置的摄像头在斜抛运动中始终朝向目标，如此，能够使飞行装置获取更高质量的原始图像，进而原始图像经图像处理装置处理后能够获得更高质量的目标图像。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的月球近场高精度地形图像获取的原理示意图；

图2为本发明实施例一提供的图像处理装置对目标原始图像处理流程的示意图；

图3为本发明实施例二提供的电磁弹射装置的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的飞行装置的模块连接关系示意图；

其中，1-抛射装置，101-底座，102-出射角调节单元，103-线圈，104-缓冲结构，105-导轨，106-弹射托，107-电控单元，108-测量单元，2-飞行装置，201-主控模块，202-无线传输模块，203-姿控模块，204-电源模块，205-图像采集与存储模块，3-图像处理装置，4-月面，5-轨迹。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例一：

本实施例提供了一种行星表面勘测方法，该方法向目标上方抛射带有摄像功能的飞行装置2，飞行装置2被抛射后在目标上方进行斜抛运动，且飞行装置2在斜抛运动中对目标拍照，得到原始图像，通过对原始图像处理得到目标图像；或者飞行装置2在斜抛运动结束落到行星表面后对行星表面进行勘测。

如此，使飞行装置2做斜抛运动，相比于通过卫星对目标进行拍照，通过斜抛运动能够使飞行装置2与目标的距离远小于卫星与目标的距离，避免了卫星探测受限于轨道高度和日照条件的不利影响；相比于通过星球车对目标进行拍照，通过斜抛运动能够使飞行装置2具有一定的周向拍照视野，解决了星球车等移动航天器只能实现前方约百米范围内的地形拍照，可视距离有限的问题。而且，因为飞行装置2是相对抛射点向前运动，所以通过该方法获得的设定区域（抛射点前方区域）的全部地形在抛射飞行装置2之前都是未知的，测绘收益与付出的代价匹配，而且不需要对已知地形做图像处理，简化了勘测系统。

需要注意的是，在该方法中，飞行装置2获得原始图像后，飞行装置2可以将原始图像发送至图像处理设备，由图像处理设备对原始图像处理得到目标图像。而且，在可能的实施例中，飞行装置2可以配备图像处理模块，使得飞行装置2获得原始图像后，飞行装置2还可以对原始图像进行处理得到目标图像。

通过该方法，可以在飞行器中通过抛射装置1向飞行器的外部抛射飞行装置2以获取靠近飞行器的空间飞行物的图像。而且，该斜抛的方案适用于行星表面坑洞样品采样，比如可以将飞行装置2斜抛入坑，飞行装置2入坑后进行坑洞样品采样。另外，该斜抛的方案可以使飞行装置2从行星表面的坑洞或其它障碍物的一侧运动到坑洞或其它障碍物的另一侧后进行采样或拍照等勘测，实现行星表面勘测过程中的越障，应用前景广泛。

另外，参照图1，以月面4的地形图像获取为例，可以在月球车或其它航天器着陆月球前，先使抛射装置1和飞行装置2在预定的月球着陆区域着陆，然后再控制抛射装置1抛射飞行装置2，使飞行装置2沿着轨迹5做斜抛运动，飞行装置2在斜抛运动中对预定着陆区域的月面4的地形进行拍照，并且飞行装置2将拍照获取的原始图像发送至图像处理装置3，图像处理装置3对月面4的地形的原始图像处理后还原出预定着陆区域的月面4的地形图像。其中，在本实施例中，图像处理装置3对月面4的地形的原始图像经过包括畸变矫正、图像拼接在内的处理后还原出预定着陆区域的月面4的地形图像。具体地，参照图2，图像处理装置3对月面4的地形的原始图像处理流程为图像接收→畸变矫正→图像拼接→图像还原。可以理解的是，除了进行上述的图像处理外，还可以进行其它的图像处理，例如，图像数字化、图像编码、图像增强等。

上述的月面4的地形获取方法能够在航天器着陆月球前得到预定的月球着陆区域的精准地形图像，进而能够规避危险区域并节约月面4活动的任务规划时间，将极大拓展月面4活动的探测能力和探测范围，提高探测效率和科学回报。当然，也可以在宇航员登陆星球表面后，由宇航员控制抛射装置1对飞行装置2进行抛射，此时飞行装置2勘测获得的信息也均是抛射飞行装置2之前未知的信息，测绘收益与付出的代价匹配，简化了勘测系统。

实施例二：

本实施例提供一种行星表面勘测系统，该系统包括抛射装置1、飞行装置2以及图像处理装置3，其中：

抛射装置1用于抛射飞行装置2，使飞行装置2做斜抛运动；飞行装置2用于在斜抛运动过程中对目标拍照，并将拍照获取的原始图像发送至图像处理装置3；图像处理装置3用于对原始图像进行处理，获取目标图像；或者飞行装置2在斜抛运动结束落到行星表面后对行星表面进行采样或拍照等勘测任务。其中，图像处理装置3能够在对多张原始图像进行包括畸变矫正和图像拼接在内的处理后，还原出目标图像。另外，图像处理装置3还可以集成显示单元，以对目标图像进行显示。而且，应当注意的是，图像处理装置3在某些实施例中可以设置在飞行装置2中，也就是说，飞行装置2拍照获得原始图像后还可以对原始图像进行处理获得目标图像。另外，飞行装置2可以进行回收重复利用。

具体地，参照图3，在本实施例中，以电磁弹射装置作为抛射装置1，电磁弹射装置包括：底座101、弹射托106、导轨105、电控单元107、线圈103、测量单元108、缓冲结构104、出射角调节单元102，其中：

底座101为整个抛射装置1提供支撑；导轨105设置在底座101上，而且导轨105采用高韧性、超耐磨材料制作；弹射托106设置在导轨105上，用于弹射飞行装置2，使飞行装置2在空中做斜抛运动，弹射托106能耐高温、高压、大电流，同时能够克服烧蚀问题；线圈103设置在导轨105下方，线圈103利用其自身产生的电磁推力将导轨105上的弹射托106和飞行装置2加速至期望的设定速度；电控单元107与线圈103电连接，电控单元107包括大电流脉冲电源和线圈驱动控制器，能够控制线圈103电流的通断，并能够将电源的能量转换成大电流高频脉冲信号，从而实现对弹射托106和飞行装置2加速；测量单元108与弹射托106、出射角调节单元102信号连接，能够测量飞行装置2的出射角度和出射速度；缓冲结构104设置在导轨105的出射端，而且缓冲结构104采用多级缓冲措施，实现对飞行装置2出射后弹射托106的缓冲，使弹射托106停在导轨105上；出射角调节单元102能够调节导轨105的倾斜角度，进而调节飞行装置2的出射角度。另外，该电磁弹射装置的测量单元108通过光电传感器检测弹射托106的速度，并能够通过霍尔传感器检测线圈103的电流信号，并将测量的速度和电流信号作为反馈信号反馈至电控单元107，电控单元107根据反馈信号改变线圈103中电流方向和大小，实现电磁弹射装置的闭环控制，使飞行装置2以预设的发射速度发射。

在本实施例中，电磁弹射装置工作时，弹射托106与线圈103共同组成电磁回路，弹射托106在线圈103电磁力的牵引下带动飞行装置2加速至设定速度后，飞行装置2出射并做斜抛运动，弹射托106在导轨105出射一端的缓冲结构104作用下减速至停止。

在本实施例中，参照图4，飞行装置2包括作为控制心的主控模块201以及与主控模块201连接的电源模块204、图像采集与存储模块205、无线传输模块202、姿控模块203，其中：

电源模块204用于为飞行装置2供电；图像采集与存储模块205用于对原始图像进行采集和存储（图像采集与存储模块205中包含用于图像采集的摄像头）；无线传输模块202用于实现飞行装置2向图像处理装置3传输采集的原始图像，无线传输模块202可以采用WIFI通信模式，实现与图像处理装置3之间的图像传输；姿控模块203能够使飞行装置2的摄像头在斜抛运动中始终朝向目标，在本实施例中，姿控模块203包括MEMS陀螺。

作为改进，飞行装置2可以通过构型设计（例如可以将飞行装置2设计为方形）避免斜抛运动中发生旋转，而且，飞行装置2采用轻量化设计，机身采用防震耐摔的有机材料，在减重的同时保证内部的摄像头等不会因为从高空跌落而损坏。

因为只需要使飞行装置2做斜抛运动，运动控制简单，且目前远程控制技术、图像的无线传输技术成熟，因此本实施例提供的用于目标图像获取的系统构造简单可靠，具有探测距离远、可精确控制、可快速部署的优点。

另外，可以理解的是，本发明中“弹射”是从电磁弹射装置对飞行装置2的驱动形式的角度而言，而“抛射”是从飞行装置做斜抛运动的角度而言，因此，本发明中的“抛射”应做广义的理解，包括各种能使飞行装置2做斜抛运动的驱动形式，同理，本发明中的“抛射装置”也应当理解为各种能够使飞行装置2做斜抛运动的装置。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种行星表面勘测方法，其特征在于，向目标上方抛射带有摄像功能的飞行装置，飞行装置被抛射后在目标上方做斜抛运动，且在斜抛运动中对目标拍照，得到原始图像；通过对所述原始图像处理得到目标图像；或者飞行装置在斜抛运动结束落到行星表面后对行星表面进行勘测。

2.如权利要求1所述的一种行星表面勘测方法，其特征在于，所述目标为月面地形。

3.如权利要求2所述的一种行星表面勘测方法，其特征在于，所述月面地形的图像获取方法包括：

在航天器着陆月球前，向预定的月球着陆区域上方抛射所述飞行装置，所述飞行装装置在斜抛运动过程中对预定着陆区域的月面地形进行拍照，得到月面地形的原始图像，通过对月面地形的原始图像处理后还原出预定着陆区域的月面地形图像。

4.如权利要求2或3所述的一种行星表面勘测方法，其特征在于，对所述月面地形的原始图像进行包括畸变矫正、图像拼接在内的处理后还原出预定着陆区域的月面地形图像。

5.一种行星表面勘测系统，其特征在于，包括抛射装置、飞行装置以及图像处理装置；

所述抛射装置用于抛射所述飞行装置，使所述飞行装置做斜抛运动；

所述飞行装置用于在斜抛运动中对目标拍照，并将拍照获取的原始图像发送至图像处理装置；

所述图像处理装置用于对所述原始图像处理，获取目标图像；或者所述飞行装置在斜抛运动结束落到行星表面后对行星表面进行勘测。

6.如权利要求5所述的一种行星表面勘测系统，其特征在于，所述抛射装置为电磁弹射装置；

所述电磁弹射装置设置有出射角调节单元和测量单元；所述出射角调节单元能够调整所述飞行装置的出射角度；所述测量单元能够测量所述飞行装置的出射角度和出射速度。

7.如权利要求5所述的一种行星表面勘测系统，其特征在于，所述飞行装置包括电源模块、图像采集与存储模块、无线传输模块、姿控模块；

所述电源模块用于为所述飞行装置供电；

所述图像采集与存储模块用于对所述原始图像采集和存储；

所述无线传输模块用于实现所述飞行装置与所述图像处理装置的图像传输；

所述姿控模块能够使所述飞行装置的摄像头在斜抛运动中始终朝向目标。

8.如权利要求5所述的一种行星表面勘测系统，其特征在于，所述图像处理装置能够在对多张所述原始图像进行包括畸变矫正和图像拼接在内的处理后，还原出目标图像。

9.如权利要求5~8任意一项所述的一种行星表面勘测系统，其特征在于，所述系统用于月面地形图像获取。