一種深空探測(cè)器著陸自主光學(xué)導(dǎo)航目標(biāo)成像模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種深空探測(cè)器著陸自主光學(xué)導(dǎo)航目標(biāo)成像模擬系統(tǒng)，屬于基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在深空探測(cè)中，由于目標(biāo)天體距離地球遙遠(yuǎn)，探測(cè)器和地面站之間存在著較長(zhǎng)的通訊延遲，基于深空網(wǎng)的導(dǎo)航制導(dǎo)方式無(wú)法滿足要求，因此，著陸探測(cè)器必須具有自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制(GNC)的能力。光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)具有體積小、功耗低、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，可以在整個(gè)著陸過(guò)程中提供探測(cè)器位置、速度、姿態(tài)信息，并在最終著陸段實(shí)現(xiàn)障礙檢測(cè)以保證探測(cè)器能安全軟著陸?；诠鈱W(xué)導(dǎo)航相機(jī)和IMU的導(dǎo)航系統(tǒng)被認(rèn)為是深空探測(cè)器實(shí)現(xiàn)精確軟著陸天體的最佳導(dǎo)航方案之一，目前美國(guó)NASA下屬的JPL實(shí)驗(yàn)室、歐盟的ESA、日本的宇宙科學(xué)研究所(ISAS)等都對(duì)基于光學(xué)相機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定的進(jìn)展。
[0003]目前基于光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)字仿真驗(yàn)證平臺(tái)卻沒(méi)有得到足夠的研究和發(fā)展，在基于光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)的研究中，存在以下困難:
[0004]1.真實(shí)的天體地表圖像獲取困難，分辨率有限；
[0005]2.目前已獲取到的天體地表圖像中，無(wú)法確定拍攝時(shí)高度，相機(jī)焦距等參數(shù)，從而無(wú)法計(jì)算圖像上的目標(biāo)點(diǎn)在相機(jī)坐標(biāo)系下的空間位置；
[0006]3.無(wú)法獲得探測(cè)器下降過(guò)程中連續(xù)的地表圖像，從而無(wú)法對(duì)整個(gè)下降過(guò)程的進(jìn)行數(shù)字仿真；
[0007]4.目前已獲取到的天體地表圖像中，沒(méi)有和圖像相匹配的雷達(dá)測(cè)距圖像，無(wú)法對(duì)基于高程圖和圖像的障礙檢測(cè)算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證；
[0008]5.無(wú)法對(duì)基于光學(xué)導(dǎo)航的探測(cè)器軟著陸導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)仿真。
[0009]為了解決上述問(wèn)題，美國(guó)NASA下屬JPL實(shí)驗(yàn)室調(diào)查并研究了多種方案，包括:I)火箭橇(Rocket Sled) ;2)有人駕駛直升機(jī);3)降落傘;4)無(wú)人機(jī);5)起重架;6)自動(dòng)駕駛直升機(jī)。論文[l](Eli David Skulsky ,Andrew Edie Johnson et al.,Rocket Sled Testingof a Prototype Terrain-Relative Navigat1n System.24th Annual AAS Guidanceand Control Conference，Jan 31，2001)中，JPL實(shí)驗(yàn)室使用火箭橇拖動(dòng)探測(cè)器滑動(dòng)的平臺(tái)方案，模擬探測(cè)器的著陸過(guò)程，探測(cè)器上安裝有激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)、IMU、攝相機(jī)等設(shè)備，導(dǎo)軌前方垂直放置模擬目標(biāo)著陸區(qū)域的沙盤(pán)。論文[2] (Srikanth Saripalli and GauravS.Sukhatme,A Testbed for Mars Precis1n Landing Experiments by EmulatingSpacecraft Dynamics on a Model Helicopter,IEEE/RSJ Internalt1nal Conferenceon Inteligent Robots and Systems，pp2097_2102,EPFL，Switzeland，Oct 2002)中，Srikanth Saripalli等人提出了使用模型直升機(jī)模擬探測(cè)器下降過(guò)程，由計(jì)算機(jī)對(duì)探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行積分得到當(dāng)前探測(cè)子的位置和姿態(tài)，直升機(jī)的位姿調(diào)整成與探測(cè)器的位姿一致，對(duì)直升機(jī)的自主導(dǎo)航算法進(jìn)行驗(yàn)證。論文[3] (Montgomery J F ,Johnson A E,Roumel1tis S I,et al.The jet propuls1n laboratory autonomous helicoptertestbed: A platform for planetary explorat1n technology research anddevelopment!! J].Journal of Field Robotics，2006，23(3-4): 245-267.)中，對(duì)上述各方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)介紹了 JPL實(shí)驗(yàn)室的起重架模擬平臺(tái)和無(wú)人直升機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)方案的研究進(jìn)展，硬件配置等，兩種平臺(tái)可以相互配合，分別用于不同階段的算法驗(yàn)證。
[0010]上述方案都是基于物理系統(tǒng)仿真驗(yàn)證平臺(tái)，具有體積大，造價(jià)昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜，測(cè)試成本高，測(cè)試周期長(zhǎng)等問(wèn)題，同時(shí)，受限于物理系統(tǒng)如直升機(jī)等機(jī)動(dòng)能力的限制，很難完整模擬探測(cè)器下降的三維運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)。
[0011]論文[4](Kubota T,Hashimoto T,Sawai S,et al.An autonomous navigat1nand guidance system for MUSES-C asteroid landing[J].Acta Astronautica,2003,52
(2): 125-131.)中，提到日本ISAS在驗(yàn)證隼鳥(niǎo)號(hào)的導(dǎo)航相機(jī)可靠性時(shí)，使用SGI工作站構(gòu)建了一個(gè)小行星圖像模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以渲染出火衛(wèi)一(Phobos)的三維模型，作為目標(biāo)著陸天體的仿真，模擬探測(cè)器在確切位置和姿態(tài)下導(dǎo)航相機(jī)所拍攝到的圖像，用于GNC系統(tǒng)性能的驗(yàn)證。
[0012]專利[5](深空自主光學(xué)導(dǎo)航控制原型驗(yàn)證系統(tǒng)，CN100451548C)提出了一種光學(xué)導(dǎo)航快速原型驗(yàn)證系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括I)待驗(yàn)證系統(tǒng)自主光學(xué)導(dǎo)航控制和動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)，利用dSPACE實(shí)時(shí)仿真機(jī)實(shí)現(xiàn)，完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、星體動(dòng)力學(xué)的模擬;2)目標(biāo)模擬系統(tǒng)，利用3D渲染技術(shù)，在顯示器上顯示出探測(cè)器所面臨的三維虛擬環(huán)境;3)光學(xué)導(dǎo)航相機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)目標(biāo)的模擬系統(tǒng)OpenGVS驅(qū)動(dòng)選用的三維模型，在顯示器屏幕上顯示生成的導(dǎo)航相機(jī)采集的目標(biāo)星體表面圖像，其缺點(diǎn)如下:DOpenGVS作為一款古老的3D引擎，其本身設(shè)計(jì)用于不同的領(lǐng)域，適用于不同性能的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，其所支持的OpenGL版本為1.2，渲染能力有限，不支持著色語(yǔ)言，不能發(fā)揮當(dāng)今顯卡的能力，難以渲染出達(dá)到光學(xué)導(dǎo)航所需要的真實(shí)場(chǎng)景;2)渲染圖像顯示在顯示器上，受限于顯示器大小，分辨率，刷新頻率等因素，通過(guò)攝相機(jī)對(duì)顯示器所顯示的圖像進(jìn)行拍攝，必然導(dǎo)致圖片質(zhì)量的下降，甚至不能拍攝出正確圖片;3)系統(tǒng)復(fù)雜，涉及大量昂貴的專業(yè)仿真設(shè)備，靈活性差，不利于光學(xué)導(dǎo)航算法的研究人員進(jìn)行算法的快速仿真驗(yàn)證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是提供了一種深空探測(cè)器著陸自主光學(xué)導(dǎo)航目標(biāo)成像模擬系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，靈活性差的缺陷，使研究人員可以基于本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)器自主光學(xué)導(dǎo)航算法的快速驗(yàn)證。
[0014]本系統(tǒng)包括目標(biāo)天體地形地貌生成單元、陰影投影生成單元、導(dǎo)航相機(jī)成像模擬單元、數(shù)據(jù)輸入輸出單元；目標(biāo)天體地形地貌生成單元通過(guò)多邊形三維地形數(shù)據(jù)分別與導(dǎo)航相機(jī)成像模擬單元、陰影投影生成單元進(jìn)行交互;導(dǎo)航相機(jī)成像模擬單元與數(shù)據(jù)輸入輸出單元進(jìn)行交互；陰影投影生成單元通過(guò)陰影投影貼圖與導(dǎo)航相機(jī)成像模擬單元進(jìn)行交互連接;數(shù)據(jù)輸入輸出單元與陰影投影生成單元進(jìn)行交互連接。
[0015]目標(biāo)天體地行地貌生成單元負(fù)責(zé)讀取地形粗DEM數(shù)據(jù)、地表參數(shù)配置文件，地表特征配置文件，通過(guò)算法生成符合目標(biāo)天體地形地貌特征的多邊形三維地形數(shù)據(jù)；陰影投影生成單元負(fù)責(zé)根據(jù)星歷，計(jì)算當(dāng)前模擬時(shí)間目標(biāo)天體相對(duì)太陽(yáng)的位置和太陽(yáng)光線入射角度，渲染生成陰影投影貼圖；導(dǎo)航相機(jī)成像模擬單元負(fù)責(zé)根據(jù)當(dāng)前相機(jī)參數(shù)、位置、光照參數(shù)、地形材質(zhì)信息，渲染生成符合相機(jī)要求的圖像;數(shù)據(jù)輸入輸出單元負(fù)責(zé)根據(jù)協(xié)議，接收并解算客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的相機(jī)位置、姿態(tài)參數(shù)和當(dāng)前模擬時(shí)間數(shù)據(jù)，同時(shí)將渲染生成的圖像數(shù)據(jù)按照協(xié)議打包發(fā)送給客戶端，用于自主光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)解算，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航相機(jī)目標(biāo)的成像模擬。
[0016]本發(fā)明的基本原理是采用了最新的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展成果DirectX11渲染目標(biāo)天體的三維成像，實(shí)現(xiàn)了深空探測(cè)器在著陸過(guò)程中導(dǎo)航相機(jī)目標(biāo)的成像模擬。
[0017]本發(fā)明模擬生成深空探測(cè)器在三維空間任意位置、姿態(tài)下，導(dǎo)航相機(jī)所拍攝到的圖像。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0019](I)充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是顯卡技術(shù)、3D渲染技術(shù)的發(fā)展成果，系統(tǒng)為全數(shù)字仿真系統(tǒng)，沒(méi)有使用直升機(jī)、火箭橇等大型設(shè)備，不需要研制沙盤(pán)模型，算法設(shè)計(jì)人員可以專心在該平臺(tái)上研究測(cè)試其算法的可靠性，不必?fù)?dān)心底層硬件設(shè)計(jì)的問(wèn)題；
[0020](2)與專利[5]相比，本發(fā)明的目標(biāo)模擬系統(tǒng)直接根據(jù)導(dǎo)航相機(jī)參數(shù)，渲染生產(chǎn)當(dāng)前攝相機(jī)所面對(duì)的場(chǎng)景，以模擬攝相機(jī)所拍攝到的圖像，渲染結(jié)果直接從幀緩沖區(qū)中讀取，不需要經(jīng)過(guò)顯示器顯示，再由相機(jī)拍攝得到圖形，所以不受顯示器大小，分辨率限制，也不需要考慮顯示器刷新頻率，顯示顏色失真等因素，保證了最大程度的模擬攝像機(jī)所拍攝到的圖像。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合圖1和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023]目標(biāo)天體地形地貌生成單元，包括其相應(yīng)的地形DEM數(shù)據(jù)庫(kù)和兩個(gè)配置文件。
[0024]目標(biāo)天體地形地貌生成單元為一個(gè)單獨(dú)的程序，在使用本系統(tǒng)進(jìn)行仿真之前，研究人員必須先使用目標(biāo)天體地形地貌生成單元預(yù)先生成符合要求精度的生成目標(biāo)著陸天體的地形數(shù)據(jù)。
[0025]地形DEM(數(shù)字高程模型Digital Elevat1n Model)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了部分當(dāng)前人類以探測(cè)過(guò)的天體的粗DEM數(shù)據(jù)，包括月球、火星、433Eros、25143Itokara的DEM數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)沒(méi)有包含研究人員所要模擬著陸的目標(biāo)天體數(shù)據(jù)時(shí)，研究人員可以手動(dòng)導(dǎo)入符合數(shù)據(jù)格式要求的目標(biāo)天體地形DEM數(shù)據(jù)。
[0026]地形參數(shù)配置文件為文本文件格式，研究人員能夠使用任意文本編輯器打開(kāi)進(jìn)行編輯配置，配置的參數(shù)包括:目標(biāo)天體名稱、大致著陸軌跡、最終著陸區(qū)域范圍、DEM精度要求。指定大致著陸軌跡、最終著陸區(qū)域范圍是為了更好的對(duì)生成的三維地形模型進(jìn)行優(yōu)化，只生成探測(cè)器經(jīng)過(guò)區(qū)域的高分辨率地形模型，提高生效效率。
[0027]地形特征配置文件為文本格式，研究人員能夠使用任意文本編輯器打開(kāi)進(jìn)行編輯配置，配置的參數(shù)包括:地形生成模式(隨機(jī)或者根據(jù)研究人員指定具體參數(shù)生成)、如果設(shè)定為隨機(jī)生成，研究人員需指定隕石坑分布參數(shù)(包括年齡、直徑、深度，隕石坑邊緣高度、位置概率分布)、巖石分布參數(shù)(大小、位置概率分布)；如果為指定具體參數(shù)生成，則需要設(shè)置隕石坑個(gè)數(shù)，各個(gè)隕石坑的年齡、直徑、深度、位置參數(shù)，以及巖石的個(gè)數(shù)，各個(gè)巖石的大小、位置參數(shù)，可以兩種生成模式混合使用。
[0028]目標(biāo)天體地形地貌生成單元生成目標(biāo)天體地形地貌特征的多邊形三維地形數(shù)據(jù)的流程如下:
[0029](I)啟動(dòng)，讀取根據(jù)研究人員配置好的地形參數(shù)配置文件、地形特征配置文件、目標(biāo)天體DHM數(shù)據(jù)；
[0030](2)根據(jù)地形參數(shù)，通過(guò)分形算法對(duì)目標(biāo)天體DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理