一種軟著陸接力避障方法:專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明

《一種軟著陸接力避障方法》是北京控制工程研究所於2010年12月24日申請的發明專利，該專利的申請號為2010106212481，公布號為，公布日為2011年9月7日，發明人是張洪華、王鵬基、黃翔宇、關軼峰、李驥、袁利、王大軼、梁俊、於萍、程銘。

《一種軟著陸接力避障方法》由粗避障階段和精避障階段配合完成天體軟著陸，粗避障階段利用可見光相機進行較大範圍和較大障礙的粗檢測，剔除直接威脅著陸安全的大障礙；接著在粗避障階段選取的安全區域內利用雷射掃描對天體表面進行精確三維障礙檢測，獲得並剔除較小尺寸的障礙，最大限度地保證著陸安全。

2014年11月6日，《一種軟著陸接力避障方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種軟著陸接力避障方法》摘要附圖）

基本介紹

中文名：一種軟著陸接力避障方法
公布號：CN102173313A
公布日：2011年9月7日
申請號：2010106212481
申請日：2010年12月24日
申請人：北京控制工程研究所
地址：北京市海淀區2729信箱
發明人：張洪華、王鵬基、黃翔宇、關軼峰、李驥、袁利、王大軼、梁俊、於萍、程銘
分類號：B64G1/62（2006.01）I
代理機構：中國航天科技專利中心
類別：發明專利
代理人：安麗

專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,

專利背景

月球或其他天體的軟著陸探測自二十世紀六十年代開始，最具代表性的是美國的“阿波羅”探月計畫和蘇聯的“月球”計畫。天體表面的地形地貌通常較為複雜且未知，即使距離地球最近的月球，2010年12月前尚無高解析度（0.2米甚至更高）的三維圖像可以借鑑。因此，那時的無人軟著陸大都選擇較為平坦的月海區域，且由於技術限制沒有利用敏感器進行月面障礙檢測而採用“盲降”技術，成功率較低。自“阿波羅11號”開始的載人登月則主要通過太空人對月面直接觀測來躲避月面障礙物，而尚未實現自主障礙識別，且人眼對光照和視角的要求較高。進入二十一世紀，隨著計算機和成像技術的迅速發展，美國和日本等航天強國陸續提出了利用敏感器進行自主障礙檢測的技術，並已經或正在實際航天任務中進行實施。如美國已實施的“鳳凰號（PHENIX）”火星探測器和未來的“火星科學實驗室（MSL）”，以及日本的“月神（SELENE）”月球探測器等。這些任務都採用一種敏感器進行天體表面成像，雖然可實現自主障礙檢測，但其檢測的可靠性受敏感器限制較大。如SELENE擬在距離月面50米左右利用雷射進行精確成像，雖然能精確識別較小的障礙，但由於受成像高度和視場限制，只能在有限的成像範圍內進行安全著陸區域選取，因而選擇到安全降落區域並進行有效避障的可能性就大打折扣。

發明內容

專利目的

《一種軟著陸接力避障方法》的技術解決問題：克服2010年12月前已有技術的不足，提出了一種粗精結合的軟著陸接力避障方法，提高天體軟著陸過程障礙識別的自主性和可靠性，增加安全區域選取範圍，為障礙規避贏取時間。

技術方案

《一種軟著陸接力避障方法》由粗避障階段和精避障階段配合完成天體軟著陸，所述粗避障階段實現步驟如下：

（1）粗避障階段候選著陸區搜尋：對於粗避障階段，在可見光成像敏感器視場內進行搜尋，搜尋過程為：以可見光成像敏感器視場中心為起點進行螺旋搜尋，將每個像素的安全半徑R_Si記錄下來，並計算每個像素安全半徑R_Si與安全著陸半徑R_L的比值，以此作為危及安全評價指標δ_ri；平移一個像素後，繼續前面的搜尋和計算步驟，直至遍歷整個可見光成像敏感器視場區域，最終搜尋到符合要求的候選著陸區；所述候選著陸區對應的危及安全評價指標為δ_rm；

（2）粗避障所需速度增量估算：對步驟（1）中選出的候選著陸區，計算探測器從當前位置開始到達每一個候選著陸區所需的實際速度增量ΔV，並計算出實際速度增量與到達標稱著陸點所需速度增量的比值，以此作為推進劑消耗評價指標δ_vm，m為候選著陸區的數量；所述標稱著陸點指無避障過程到達的著陸點；

（3）粗安全區確定：利用步驟（1）的每個候選著陸區的危及安全評價指標δ_rm和步驟（2）的推進劑消耗評價指標δ_vm，根據公式（1）計算綜合評價指標Q_sm，Q_sm最小的安全區域即為粗避障階段選取的最優安全區

（1）

式中，a和b分別為危及安全評價指標δ_rm和推進劑消耗評價指標δ_vm的加權值；

所述精避障階段實現步驟如下：

（4）精避障階段圖像數據處理：在精避障階段，由雷射三維成像敏感器對正下方的粗避障階段選取的最優安全區進行成像，獲得雷射三維成像敏感器視場內三維高程圖（DEM）數據信息；DEM數據處理步驟為：

（a）確定DEM中的每個數據在雷射三維成像敏感器測量坐標系下的坐標；

（b）以每個像元作為一個單元格，用（i，j）標記每個單元格，其中i和j分別代表單元格所在的行數和列數；所述像元為一個或多個雷射三維成像敏感器的水平解析度；

（5）計算坡度和粗糙度：在步驟（4）得到的DEM數據內確定一個面積為Ss的區域，計算Ss區域內的坡度和粗糙度；

（6）精避障安全著陸區選取：以雷射三維成像敏感器視場中心為起點進行螺旋搜尋，邊搜尋邊利用步驟（5）進行坡度和粗糙度計算，並結合任務對安全著陸區坡度和粗糙度的指標要求進行判斷，確定此區域是否為安全著陸區域；若不是，根據式（2）計算當前區域的安全評價指標S_i，平移一個單元格後重複步驟（5）的計算並進行搜尋判斷，直至找到符合要求的安全著陸區域為止；若通過上面的計算和搜尋選到了符合要求的安全著陸區，則將當前的安全著陸區作為最終的安全著陸區；若搜尋完整個視場內區域仍未選到符合要求的安全著陸區，則以安全評價指標S_i最大值所在的安全區域作為最終的安全著陸區；所述安全評價指標S_i為：

（2）

其中，i代表某單元格，θ_d和r_d為設計指標要求的安全坡度和半徑，超出此數值將危及著陸安全，θ_i和r_i分別為單元格i所在區域的坡度和精避障安全半徑；k_θ和k_r分別為坡度和精避障安全半徑的加權係數。

所述步驟（5）中區域面積Ss根據探測器尺寸和制導控制誤差之和確定。

所述步驟（1）中符合要求的候選著陸區選擇如下：定義每個像素的危及安全評價值δ_ri＝R_L/R_Si和δ′_ri＝R_Lmin/R_Si，其中，R_Lmin為選定的最小容忍安全半徑，若可見光成像敏感器視場區域記憶體在R_Si≥R_L的像素，則δ_ri≤1對應的區域即為候選著陸區；若可見光成像敏感器視場區域內不存在R_Si≥R_L的像素，但存在R_Si≥R_Lmin的像素，則δ′_ri≤1對應的區域即為候選著陸區。

改善效果

（1）該發明自主性好，可靠性高，可用於地形較為複雜的天體軟著陸探測任務，對於距離較遠的深空無人天體軟著陸尤其適用；

（2）該發明提高了避障能力和避障距離，增加了著陸的安全性；

（3）該發明可實現性好，通過最佳化避障軌跡，降低了對敏感器的技術指標要求，使得可見光和雷射成像敏感器的研製難度降低，有利於工程套用。

附圖說明

圖1為該發明的軟著陸軌跡規劃和接力避障策略示意圖；

圖2為該發明的粗避障實現流程圖；

圖3為該發明的精避障實現流程圖。

權利要求

《一種軟著陸接力避障方法》其特徵在於由粗避障階段和精避障階段配合完成天體軟著陸，所述粗避障階段實現步驟如下：

（1）

式中，a和b分別為危及安全評價指標δ_rm和推進劑消耗評價指標δ_vm的加權值；

所述精避障階段實現步驟如下：

（a）確定DEM中的每個數據在雷射三維成像敏感器測量坐標系下的坐標；

（5）計算坡度和粗糙度：在步驟（4）得到的DEM數據內確定一個面積為Ss的區域，計算Ss區域內的坡度和粗糙度；

（2）

其中，i代表某單元格，θ_d和r_d為設計指標要求的安全坡度和半徑，超出此數值將危及著陸安全，θ_i和r_i分別為單元格i所在區域的坡度和精避障安全半徑；k_θ和k_r分別為坡度和精避障安全半徑的加權係數；

實施方式

該發明的基本思路為根據當前成像敏感器的特點，在軟著陸過程中進行兩次障礙檢測：粗避障階段利用可見光成像敏感器進行較大範圍和較大障礙的粗檢測，剔除直接威脅著陸安全的大障礙；接著在粗避障階段選取的最優安全區內利用雷射三維成像敏感器對天體表面進行精確三維障礙檢測，剔除較小尺寸的障礙，最大限度地保證著陸安全。

該發明所採用的技術方案實現步驟如下：

（1）規劃軟著陸軌跡，設計接力避障策略：在探測器距離天體表面較遠時，以制動減速為主；當探測器距離天體表面較近時，進行粗障礙識別和避障，獲得較大範圍的粗安全區；當探測器距離天體表面很近時，對所選的粗安全區進行精確障礙識別，優選出適合降落的安全著陸區域，保證著陸安全。以月球軟著陸為例，軟著陸軌跡規劃和接力避障策略如圖1所示。圖1中，方框表示的兩部分為接力避障過程，其中，在粗避障階段，探測器在距離月面1千米左右時利用可見光成像敏感器進行粗障礙檢測，獲得較大範圍的粗安全區，並在接近段餘下的時間段內通過粗避障控制使探測器到達粗安全區上方；在精避障階段，探測器在距離月面100米左右懸停時，利用雷射三維成像敏感器對已獲得的粗安全區進行精確三維成像，獲得成像視場內的三維高程圖信息，識別障礙並獲得安全著陸點位置，在著陸段通過精避障控制使探測器準確降落到精避障安全區域上方，保證著陸安全。

軟著陸軌跡規劃對粗、精避障兩階段有不同的功能要求。對於粗避障階段，其主要目的是在較大著陸範圍內剔除明顯危及著陸安全的大障礙，提高精確障礙檢測的可能性和效率。由於此時探測器運動速度較大，因此需要成像速度快，從而儘量降低探測器運動對障礙檢測的影響，而對障礙的檢測精度要求較低。對於精避障階段，其主要目的是在粗避障選取的較安全區域內進行精確障礙檢測，務必識別並剔除危及安全的較小尺寸的障礙，確保著陸安全，而對成像時間則沒有特別高的要求。

根據兩階段的不同功能要求，確定在粗避障階段採用曝光時間短、對下降速度適應性較好的可見光成像敏感器進行粗障礙檢測，以獲取較大範圍的粗安全區。而在精避障階段，採用檢測精度較高的雷射三維成像敏感器，在視場範圍內對粗安全區域進行精細三維檢測。

（2）粗避障階段候選著陸區搜尋：對於粗避障階段，在可見光成像敏感器對擬著陸區進行平面成像，並將灰度圖像信息進行處理（安全置“1”，危險置“0”）之後，以可見光成像敏感器視場中心為起點進行螺旋搜尋，將每個像素的安全半徑R_Si記錄下來，並計算每個像素安全半徑R_Si與安全著陸半徑R_L的比值，以此作為危及安全評價指標δ_ri；平移一個像素後，繼續前面的搜尋和計算步驟，直至遍歷整個可見光成像敏感器視場區域，最終搜尋到符合要求的候選著陸區；所述候選著陸區對應的危及安全評價指標為δ_rm。

（3）粗避障所需速度增量估算：在（2）中選出了多個候選著陸區後，接著根據設計好的制導律計算探測器從當前位置開始到達每一個候選著陸區所需的實際速度增量ΔV，並計算出實際速度增量與到達標稱著陸點所需速度增量的比值，以此作為推進劑消耗評價指標δ_vm。所述標稱著陸點指的是無避障過程探測器到達的著陸點。

（4）粗安全區確定：每個候選著陸區的危及安全評價指標δ_rm和推進劑消耗評價指標δ_vm分別由（2）和（3）給出，該部分將二者融合起來進行最佳化，最終確定綜合評價指標Q_sm最小的安全區域，即為粗避障階段選取的最優安全區。綜合評價指標Q_sm計算公式為：

；式中，a和b分別為危及安全評價指標和推進劑消耗評價指標的加權值。

（5）精避障階段圖像數據處理：（4）中確定了粗避障階段選取的粗安全區後，探測器在制導控制下到達粗安全區上方，並在距離天體表面比較近（如100米）時懸停且姿態垂直向下，以此進入精避障階段。

在精避障階段，首先由雷射三維成像敏感器對正下方的粗安全區進行成像，獲得三維高程圖（DEM）數據信息，接下來需要對DEM數據進行處理。步驟如下：

（a）確定DEM中的每個數據在雷射三維成像敏感器測量坐標系下的坐標。

（b）以每個像元作為一個單元格。用（i，j）標記每個單元格，其中i和j分別代表單元格所在的行數和列數。所述像元為一個或多個雷射三維成像敏感器的水平解析度。

（6）計算坡度和粗糙度：首先根據探測器尺寸和制導控制誤差，確定適合著陸的安全區域面積Ss。接著利用每一個單元格所對應的雷射三維成像敏感器測量坐標系下坐標值（x_i，y_i，z_i），計算Ss區域的坡度和粗糙度。其中，坡度用擬合平面法線與垂線的夾角來表示，粗糙度用每個單元格到擬合平面的垂直距離來表示。

（7）精避障安全著陸區選取：以雷射三維成像敏感器視場中心為起點進行螺旋搜尋，邊搜尋邊利用步驟（6）進行坡度和粗糙度計算，並結合任務對安全著陸區坡度和粗糙度的指標要求進行判斷，確定此區域是否為安全著陸區域；若不是，平移一個單元格後重複（6）的計算並進行搜尋判斷，直至找到符合要求的安全著陸區域為止。

（8）安全評價指標最佳化：在（7）中螺旋搜尋選取安全著陸區的同時，需要制定並計算安全評價指標值，以此來優選更為安全的著陸區。該評價指標為：

；其中，S_i為安全評價係數，i代表某單元格，θ_d和r_d為設計指標要求的安全坡度和半徑，超出此數值將危及著陸安全，θ_i和r_i分別為單元格i所在特定區域的坡度和安全半徑；k_θ和k_r分別為坡度和安全半徑的加權係數。

（7）中每搜尋一個單元格，（8）中的安全評價係數就需要計算一次。若在（7）中選到了符合要求的安全著陸區，則退出，將該安全區作為最終的著陸區；若搜尋完整個視場內區域仍沒有選到符合要求的安全區，則以（8）中計算的最大安全評價係數所在的安全區域（面積小於特定安全區）作為最終的著陸區。

下面以月球軟著陸為例，說明接力避障兩階段安全著陸區域選取的具體實施過程。

（1）確定接力避障兩階段敏感器主要技術指標

基於2010年12月前可見光和雷射體制的成像敏感器的檢測精度和軟著陸方案設計要求，對二者的主要性能指標進行分配。可見光成像敏感器主要技術指標為：

成像高度	約1千米
解析度	1024像素
視場	30°×30°

根據上面的指標，估算粗避障階段可識別優於1米的障礙。

雷射三維成像敏感器的主要技術指標為：

成像高度	約100米
視場	30°×30°
約100米	256像素（0.2米×0.2米）
256像素（0.2米×0.2米）	0.1米

根據上面的指標，估算精避障階段可識別優於0.2米的障礙。

（2）粗避障階段候選著陸區搜尋步驟

圖2給出了粗避障階段候選著陸區選取流程，具體步驟如下：

a.自視場中心開始記錄該像素的安全半徑R_Si；

b.判斷該像素安全半徑R_Si與安全著陸半徑R_L（取R_L＝100米）的關係。若R_Si≥R_L，則記錄危及安全值δ_ri＝R_L/R_Si；

c.若R_Si＜R_L，則繼續判斷該像素安全半徑R_Si與選定的最小容忍安全半徑R_Lmin（取R_Lmin＝80米）的關係。若R_Si≥R_Lmin，則記錄危及安全值δ_ri為不安全的，令δ_ri＝100，同時，記錄δ′_ri＝R_Lmin/R_Si；

d.若R_Si＜R_Lmin，則記錄危及安全值δ′_ri為不安全的，令δ′_ri＝100；

e.平移一個像素，重複b～d，進行螺旋搜尋計算，直至遍歷整個成像區域；

f.記錄下所有δ_ri≤1（成像區域中至少有一個像素的安全半徑大於R_L）或者δ′_ri≤1（成像區域中無安全半徑大於R_L的像素，但至少有一個像素的安全半徑大於R_Lmin）所對應的像素及危及安全評價值δ_rm，即為粗避障階段的候選著陸區。

（3）粗避障所需速度增量估算

a.利用探測器水平方向的當前位置r₀、速度v₀與終端位置r_t、速度v_t和加速度a_t（當前狀態已知，終端狀態已確定），計算到達候選著陸點的制導時間t_go。

b.利用四次多項式制導加速度的表達式，令加速度為零，求得速度極值點時刻t。

c.判斷在時間區間（t_go，0）內是否存在速度極值點；如果存在，則計算在t時刻的速度v；否則，令v＝0。

d.計算到達候選著陸區需要的速度增量為

，其中，

，

。

e.選取到達候選著陸區與既定的標稱著陸點的速度增量的比值δ_vm，作為評價候選著陸點推進劑消耗的指標。計算出每個候選著陸區的δ_vm值。

（4）粗安全區確定

根據每個候選著陸區的危及安全評價值δ_rm和推進劑消耗評價指標δ_vm，確定每個候選著陸區的綜合評價值Q_sm＝a·δ_rm+b·δ_vm。權值a和b都取1。

根據計算，選取Q_sm最小的那個候選著陸區確定為粗避障階段的最優安全區。

（5）精避障階段圖像數據處理

粗安全區確定後，探測器下降至距離月面100米開始懸停，進入精避障階段。此時由雷射三維成像敏感器對正下方的粗安全區進行成像，獲得三維高程圖（DEM）數據信息，接下來需要對DEM數據進行處理。步驟如下：

a.確定DEM中的每個數據在雷射三維成像敏感器測量坐標系下的坐標。

b.以每個像元（如將雷射三維成像敏感器的水平解析度作為一個像元）作為一個單元格。用（i，j）標記每個單元格，其中i和j分別代表單元格所在的行數和列數。

（6）坡度和粗糙度計算

根據探測器尺寸和制導導航控制誤差，確定適合安全著陸的區域Patch的面積為25米×25米（假定探測器橫切面積為5米×5米，制導導航控制誤差為10米，於是Patch區域面積可估算為2×（5/2+10）＝25米）。利用最小二乘法擬合出Patch區域的平均坡面。

定義區域Patch（i，j）的擬合平面方程為：k₁X+k₂Y+k₃Z＝1，式中，k₁、k₂和k₃為待擬合的參數。

假設某區域Patch（i，j）中有N_i，j個單元格（即三維高程圖像元），記為（x_m，y_m，z_m）（m＝1，2，...，N_i，j）。

利用這些數據點的坐標，構造N_i，j×3的矩陣如下：

定義N_i，j維的全1列向量h＝[11…1]。按照最小方差的原則，求得擬合參數為：k＝[k₁k₂k₃]＝（GG）Gh，從而得到擬合的平均坡面。

由平面方程易知擬合平面的法向量n為：n＝[k₁k₂k₃]，於是求得擬合平面的傾角γ，即Patch區域的坡度為：

，式中，b＝[001]，表示垂直向量。

於是，每個單元格到擬合平面的垂直距離，即粗糙度可表示為：

。

（7）精避障安全著陸區選取

確定了坡度和粗糙度後，即可以根據對安全著陸點的設計要求通過螺旋搜尋的方法選取符合要求的安全著陸區。需要說明的是，若雷射三維成像敏感器視場內沒有符合要求的安全著陸區域，需要確定一個安全評價係數，如：

，上式中，S_i為安全評價係數，θ_d和r_d為設計指標要求的安全坡度和半徑，超出此數值將危及著陸安全，θ_i和r_i分別為單元格i所在特定區域（25米×25米）的坡度和安全半徑；k_θ和k_r分別為坡度和安全半徑的加權係數。

特別要指出的是，此安全評價係數僅在視場範圍無完全符合要求的安全著陸區域時才有效。

如圖3所示，精避障階段安全著陸區選取流程具體步驟如下：

a.以雷射三維成像敏感器視場中心為初始點，選擇一個25米×25米的區域Patch1作為初始搜尋區域，其中包含有125×125個0.2米×0.2米的像元（即單元格）；

b.對於Patch1進行坡度和每個單元格的障礙高度計算，並將計算結果與安全著陸要求（障礙不大於0.2米，坡度不大於8°）進行比較；

c.以雷射三維成像敏感器視場中心為搜尋起始點，以單元格為步長，按順時針螺旋搜尋並判斷當前單元格是否安全，是“安全”就繼續搜尋直至搜尋完25米×25米的Patch1區域為止，停止搜尋，此區域即為要選取的安全看陸區；

d.若搜尋到的當前單元格標記為“危險”，則記下當前的中心搜尋點的安全半徑和坡度值，並計算安全評價係數S_i，停止當前搜尋，將初始搜尋點按順時針平移一個單元格作為下一區域的中心點和初始搜尋點，繼續重複b～d的操作，直至找到一個25米×25米的著陸區域；

e.若搜尋完整個視場仍未找到滿足要求的安全著陸區域，則根據d中記錄下的若干點的安全評價係數進行判斷，係數最大者所在的區域即定義為安全區域。

榮譽表彰