[发明专利]一种软着陆接力避障方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在天体表面着陆的障碍规避方法，特别是一种软着陆接力避障方法，可用于对月球或其他天体的软着陆探测。

背景技术

月球或其他天体的软着陆探测自二十世纪六十年代开始，最具代表性的是美国的“阿波罗”探月计划和苏联的“月球”计划。天体表面的地形地貌通常较为复杂且未知，即使距离地球最近的月球，目前尚无高分辨率(0.2m甚至更高)的三维图像可以借鉴。因此，那时的无人软着陆大都选择较为平坦的月海区域，且由于技术限制没有利用敏感器进行月面障碍检测而采用“盲降”技术，成功率较低。自“阿波罗11号”开始的载人登月则主要通过宇航员对月面直接观测来躲避月面障碍物，而尚未实现自主障碍识别，且人眼对光照和视角的要求较高。进入二十一世纪，随着计算机和成像技术的迅速发展，美国和日本等航天强国陆续提出了利用敏感器进行自主障碍检测的技术，并已经或正在实际航天任务中进行实施。如美国已实施的“凤凰号(PHENIX)”火星探测器和未来的“火星科学实验室(MSL)”，以及日本的“月神(SELENE)”月球探测器等。这些任务都采用一种敏感器进行天体表面成像，虽然可实现自主障碍检测，但其检测的可靠性受敏感器限制较大。如SELENE拟在距离月面50m左右利用激光进行精确成像，虽然能精确识别较小的障碍，但由于受成像高度和视场限制，只能在有限的成像范围内进行安全着陆区域选取，因而选择到安全降落区域并进行有效避障的可能性就大打折扣。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种粗精结合的软着陆接力避障方法，提高天体软着陆过程障碍识别的自主性和可靠性，增加安全区域选取范围，为障碍规避赢取时间。

本发明的技术解决方案：一种软着陆接力避障方法，由粗避障阶段和精避障阶段配合完成天体软着陆，所述粗避障阶段实现步骤如下：

(1)粗避障阶段候选着陆区搜索

对于粗避障阶段，在可见光成像敏感器视场内进行搜索，搜索过程为：以可见光成像敏感器视场中心为起点进行螺旋搜索，将每个像素的安全半径R_Si记录下来，并计算每个像素安全半径R_Si与安全着陆半径R_L的比值，以此作为危及安全评价指标δ_ri；平移一个像素后，继续前面的搜索和计算步骤，直至遍历整个可见光成像敏感器视场区域，最终搜索到符合要求的候选着陆区；所述候选着陆区对应的危及安全评价指标为δ_rm；

(2)粗避障所需速度增量估算

对步骤(1)中选出的候选着陆区，计算探测器从当前位置开始到达每一个候选着陆区所需的实际速度增量ΔV，并计算出实际速度增量与到达标称着陆点所需速度增量的比值，以此作为推进剂消耗评价指标δ_vm，m为候选着陆区的数量；所述标称着陆点指无避障过程到达的着陆点；

(3)粗安全区确定

利用步骤(1)的每个候选着陆区的危及安全评价指标δ_rm和步骤(2)的推进剂消耗评价指标δ_vm，根据公式(1)计算综合评价指标Q_sm，Q_sm最小的安全区域即为粗避障阶段选取的最优安全区

Q_sm＝a·δ_rm+b·δ_vm                          (1)

式中，a和b分别为危及安全评价指标δ_rm和推进剂消耗评价指标δ_vm的加权值；

所述精避障阶段实现步骤如下：

(4)精避障阶段图像数据处理

在精避障阶段，由激光三维成像敏感器对正下方的粗避障阶段选取的最优安全区进行成像，获得激光三维成像敏感器视场内三维高程图(DEM)数据信息；DEM数据处理步骤为：

(a)确定DEM中的每个数据在激光三维成像敏感器测量坐标系下的坐标；

(b)以每个像元作为一个单元格，用(i，j)标记每个单元格，其中i和j分别代表单元格所在的行数和列数；所述像元为一个或多个激光三维成像敏感器的水平分辨率；

(5)计算坡度和粗糙度

在步骤(4)得到的DEM数据内确定一个面积为Ss的区域，计算Ss区域内的坡度和粗糙度；

(6)精避障安全着陆区选取