CN117635816A - 一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法及系统，本发明基于Unity3D的空间环境下航天器仿真数据集SpaceSim‑Dataset，提出一种基于Unity3D构建的空间环境下绕飞观测、逼近检查任务场景中的航天器仿真数据集SpaceSim‑Dataset。可以在高仿真的空间场景下，连续输出虚拟相机拍摄的彩色图(RGB)与深度图(Depth)序列，以及记录的陀螺仪与加速度计IMU(Inertial Measurement Unit)序列数据，为实现空间机器人自主感知的SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)任务奠定基础。
Description
技术领域
本发明属于航天器仿真技术领域，涉及一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法及系统。
背景技术
空间环境中的航天器图像数据集是实现在轨服务感知任务的前提，机器学习、计算机视觉方法的性能也高度依赖训练它们的数据的可用性和质量，但是在空间领域，获取空间图像昂贵且耗时，数据非常稀缺，通常也被视为敏感数据。尽管现有的空间环境航天器数据集已经解决了多种空间场景任务，但是现有技术仍存在如下的缺陷和不足：
1)采用光学设施+图像合成技术需要高成本、长周期的搭建物理仿真环境；
2)仅针对二维RGB图像的位姿估计、部件识别等感知任务，具有较大局限性；
3)单帧、非连续的不完整观测也无法建立有效的非合作目标模型感知。
综上所述依然有必要研究在模拟器上进行简单、高效的搭建空间三维环境，以模拟不同的飞行器和场景，测试算法的输出结果，创建多样的数据集，便于后续的位姿估计和模型重建等感知任务的测试与评估，降低真实硬件过程的时间与经济成本。
据悉，迄今为止还没有针对空间三维场景中连续观测下，建立非合作目标模型感知适用SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)任务的数据集，而空间中非合作目标的几何模型感知对操作、捕获等复杂在轨服务任务又极为重要。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法及系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
第一方面，本发明提供一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法，包括以下步骤：
配置地球、太阳与空间的环境仿真；
构建可导入的航天器模型；
控制服务航天器的运动，环绕观测目标建立RGBD图像数据；
绘制图像数据序列的位姿真值轨迹,并解算其加速度与角速度数据；
对RGBD与IMU数据进行后处理，通过多种典型观测轨迹，采集不同航天器的序列数据，构建仿真数据集。
第二方面，本发明提供一种空间环境下航天器仿真数据集的构建系统，包括：
仿真配置模块，用于配置地球、太阳与空间的环境仿真；
模型构建模块，用于构建可导入的航天器模型；
图像建立模块，用于控制服务航天器的运动，环绕观测目标建立RGBD图像数据；
第一计算模块，用于绘制图像数据序列的位姿真值轨迹,并解算其加速度与角速度数据；
第二计算模块，用于对RGBD与IMU数据进行后处理，通过多种典型观测轨迹，采集不同航天器的序列数据，构建仿真数据集。
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。
第四方面，本发明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程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
为了简单高效的获得空间仿真场景，并构建数据集，本发明提出了一种新的SpaceSim-Dataset数据集构建方法及系统，使用Unity3D仿真环境生成。Unity3D出色的图形渲染功能，包括了光学灯光与光线追踪的实时照明，高分辨率纹理模型着色器以及基于物理的材质反射与阴影等。因此可以模拟真实空间环境下的一些极端光照、黑暗和动态地球背景等条件；SpaceSim还结合了先前数据集中已经存在的其它特征，例如同样采用高纹理、高分辨率的地球卫星图以及太阳光源等，为给模拟视觉传感器提供较为真实的空间环境。
本发明在Unity3D中使用地球模型、场景照明与120余种具有复杂纹理的卫星、航天飞机、空间站、自由飞行机器人、巡视器、舱外作业宇航员等类别模型作为目标航天器与服务航天器，搭建了空间仿真环境；本发明自定义绕飞监测与逼近检查的观测相机位姿；最后本发明包含连续采集被观测体的序列颜色图像和深度图像；提供了RGBD序列的位姿真值，设计了轨迹生成IMU仿真数据工具、转换TUM格式与同步ROS仿真时间工具。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明系统的原理图。
图3为Unity3D高分辨率地球模型示意图；其中，(a)为地球夜间照射图，(b)为地球纹理基色贴图。
图4为SpaceSim-Dataset数据集航天器模型示意图；其中(a)为卫星：NASA-Aqua，(b)为航天飞机：STS-135亚特兰蒂斯，(c)为空间站与模组：国际空间站，(d)为载人飞船：波音CST-100，(e)为巡视器：毅力号火星探测器，(f)为舱外作业宇航员。
图5为SpaceSim-Dataset仿真采集环境示意图。
图6为SpaceSim-Dataset数据集示意图；其中，(a)为被观测的Federatsiya目标航天器的RGB图像，(b)为被观测的Federatsiya目标航天器的Depth图像。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明实施例公开了一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法，包括以下步骤：
S1配置地球、太阳与空间的环境仿真；
S2构建可导入的航天器模型；
S3控制服务航天器的运动，环绕观测目标建立RGBD图像数据；
S4绘制图像数据序列的位姿真值轨迹,并解算其加速度与角速度数据；
S5对RGBD与IMU数据进行后处理，通过多种典型观测轨迹，采集不同航天器的序列数据，构建仿真数据集。
如图2所示，本发明实施例公开了一种空间环境下航天器仿真数据集的构建系统，包括：
仿真配置模块，用于配置地球、太阳与空间的环境仿真；
模型构建模块，用于构建可导入的航天器模型；
图像建立模块，用于控制服务航天器的运动，环绕观测目标建立RGBD图像数据；
第一计算模块，用于绘制图像数据序列的位姿真值轨迹,并解算其加速度与角速度数据；
第二计算模块，用于对RGBD与IMU数据进行后处理，通过多种典型观测轨迹，采集不同航天器的序列数据，构建仿真数据集。
实施例
本实施例公开了一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法，包括以下步骤：
步骤1，配置地球、太阳与空间环境仿真：
地球模型：基于NASA的Visible-Earth从Unity-Assert获得，包含了一个由大气渲染器、行星着色器、云着色器构成的高分辨率逼真的地球模型；它的纹理由64K基色贴图、32K法线贴图、32K高光蒙版贴图、32K云底色图、32K云法线贴图以及64K夜间照射贴图组成，以仿真显示云、阴影和大气的外部散射效果。同时还添加了来自欧洲南方天文台的太空背景，如图3所示。
场景照明：为使场景具有行星表面的特征，首先构建点光源的太阳光作为世界空间光的位置；然后构建地球大气的阳照与夜间菲涅耳属性，以使材质在海洋和云反射的不同距离上呈现出不同的反射效果；最后设定云着色器的辉光度与菲涅耳属性，以表现不同的照明条件与对比度。
步骤2，通过SolidWorks或Blender建立并转换为FBX格式可导入的航天器模型：
目标航天器：代表了非合作(没有安装合作标志器、不能通信传送位姿信息的航天器)的具有复杂纹理的被观测体，收集整理了包括NASA-3D等的128种不同的卫星、航天飞机、空间站舱段、自由飞行机器人、载人飞船、巡视器、宇航员等多种航天器3D模型，如图4所示。
步骤3，通过控制服务航天器的运动，环绕观测目标建立RGBD图像数据，如图4所示，设置Unity3D生成的图片名称格式为“年月日时分秒+记录图片数+世界坐标系的位置(x，y，z)与姿态四元数真实值(qx,qy,qz,qw)”的数据集。
服务航天器：代表了装备视觉相机的观测体，可操作远离或靠近、改变其绕飞圆半径，以采集被观测目标的图像数据。观测体与被观测体均可放置在距离地面的低地球轨道范围附近任意位置，以扩展观测范围与角度。
虚拟相机：包含了VGA(640×480)分辨率的针孔相机与深度相机，以1-30fps输出PNG/JPG格式的RGBD图像。也可设置扩展为其它分辨率HD(1280×720)、WXGA(1366×768)、FULL-HD(1920×1080)、QHD(2560×1440)以及4K-UHD(3840×2160)或颜色图与深度图的编码格式。
光学传感器噪声：由于传感器尺寸小，深度红外点阵照射航天器表面材质时产生反射、吸收与孔洞，以及在高动态范围成像时星载图像易受到较大的噪声影响。因此，在生成的仿真图像中添加了高斯噪声，以模拟真实星载图像中的噪声影响。
步骤4，通过将图片序列的位姿真值绘制轨迹，插值求导得到200Hz的IMU加速度与角速度数据；然后通过ROS(机器人操作系统)读取RGBD+IMU数据并使用ROS仿真时间记录到ROS-bag中；使用Matlab读取转换数据集序列为TUM格式“时间戳+位置+姿态四元数”；通过绕飞、伴飞、掠飞与抵近等其他典型的观测轨迹，对各种不同的航天器进行拍照采集，记录为该序列的Groundtruth(地面真实值)。
如图5所示，图5中的观测航天器为美国波音CST-100载人飞船Starliner型号，被观测的目标航天器为俄罗斯Energiya载人航天器Federatsiya“鹰”型号；中间相对运动圆轨迹代表了以被观测体为参考坐标系的观测体环绕检查路径，上方直线代表了以地球为参考坐标系的观测体绝对运动轨迹，下方直线代表了以地球为参考坐标系的被观测体的绝对运动轨迹。
本发明为SpaceSim设计了灵活的采集界面，可以应用于广泛的感知任务与平台，以推动空间环境数据集的开发，SpaceSim-Dataset数据集与现有的详细比较如表1所示；
表1空间环境下的航天器数据集比较
本发明具有128种不同的卫星、航天飞机、空间站舱段、自由飞行机器人、载人飞船、巡视器、宇航员等多种航天器三维模型；
如图6所示，本发明具有连续采集被观测体的序列彩色图像、深度图像、IMU数据以及RGBD序列的位姿真值，图6中被观测的目标航天器为俄罗斯Energiya载人航天器Federatsiya“鹰”型号。
本发明一实施例提供的计算机设备。该实施例的计算机设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述计算机设备的各种功能。
所述计算机设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)
1.一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
配置地球、太阳与空间的环境仿真；
构建可导入的航天器模型；
控制服务航天器的运动，环绕观测目标建立RGBD图像数据；
绘制图像数据序列的位姿真值轨迹,并解算其加速度与角速度数据；
对RGBD与IMU数据进行后处理，通过多种典型观测轨迹，采集不同航天器的序列数据，构建仿真数据集。
2.根据权利要求1所述的一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法，其特征在于，所述配置地球、太阳与空间的环境仿真，包括：
地球模型：基于NASA的Visible-Earth从Unity-Assert获得，包含了一个由大气渲染器、行星着色器、云着色器构成的地球模型；其纹理由64K基色贴图、32K法线贴图、32K高光蒙版贴图、32K云底色图、32K云法线贴图以及64K夜间照射贴图组成，以仿真显示云、阴影和大气的外部散射效果；同时还添加有来自欧洲南方天文台的太空背景；
场景照明：为使场景具有行星表面的特征，首先构建点光源的太阳光作为世界空间光的位置；然后构建地球大气的光照与夜间菲涅耳属性，以使材质在海洋和云反射的不同距离上呈现出不同的反射效果；最后设定云着色器的辉光度与菲涅耳属性，以表现不同的照明条件与对比度。
3.根据权利要求1所述的一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法，其特征在于，所述构建可导入的航天器模型，是通过SolidWorks或Blender建立并转换为FBX格式可导入的航天器模型。
4.根据权利要求1所述的一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法，其特征在于，所述控制服务航天器的运动，环绕观测目标建立RGBD图像数据，包括：
设置Unity3D生成的图片名称格式为“年月日时分秒+记录图片数+世界坐标系的位置(x，y，z)与姿态四元数真实值(qx,qy,qz,qw)”的数据集；
服务航天器：代表了装备视觉相机的观测体，可操作远离或靠近、改变其绕飞圆半径，以采集被观测目标的图像数据；观测体与被观测体均能够放置在距离地面的低地球轨道范围附近任意位置，以扩展观测范围与角度；
虚拟相机：包含了VGA(640×480)分辨率的针孔相机与深度相机，以1-30fps输出PNG/JPG格式的RGBD图像；或设置扩展为其它分辨率HD(1280×720)、WXGA(1366×768)、FULL-HD(1920×1080)、QHD(2560×1440)以及4K-UHD(3840×2160)或颜色图与深度图的编码格式；
光学传感器噪声：在生成的仿真图像中添加高斯噪声，以模拟真实星载图像中的噪声影响。
5.根据权利要求1所述的一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法，其特征在于，所述将图像数据序列的位姿真值绘制轨迹，得到加速度与角速度数据，包括：
通过将图片序列的位姿真值绘制轨迹，插值求导得到200Hz的IMU加速度与角速度数据。
6.根据权利要求1所述的一种空间环境下航天器仿真数据集的构建方法，其特征在于，所述对RGBD与IMU数据进行后处理，通过多种典型观测轨迹，采集不同航天器的序列数据，构建仿真数据集，包括：
通过机器人操作系统ROS读取RGBD+IMU数据并使用机器人操作系统ROS仿真时间记录到ROS-bag中；使用Matlab读取转换数据集序列为TUM格式“时间戳+位置+姿态四元数”，记录为该序列的地面真实值Groundtruth；通过绕飞、伴飞、掠飞与抵近的观测轨迹，对各种不同的航天器进行拍照采集，得到空间环境下航天器仿真数据集。
7.一种空间环境下航天器仿真数据集的构建系统，其特征在于，包括：
仿真配置模块，用于配置地球、太阳与空间的环境仿真；
模型构建模块，用于构建可导入的航天器模型；
图像建立模块，用于控制服务航天器的运动，环绕观测目标建立RGBD图像数据；
第一计算模块，用于绘制图像数据序列的位姿真值轨迹,并解算其加速度与角速度数据；
第二计算模块，用于对RGBD与IMU数据进行后处理，通过多种典型观测轨迹，采集不同航天器的序列数据，构建仿真数据集。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
9.一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程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
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