一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法技术

一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法，属于空间技术领域。本发明专利技术根据机械臂运动范围、相机视场、探测器尺寸等数据，对全局可视化可达性进行了分析与判断，同时计算选择了获取全局图像的虚拟成像点；结合组合体探测器相机配置，设计了可视化路径，并在虚拟成像点处的三维坐标系下依据全局图像像点与局部图像像点三维关系，计算全局图像像点与局部图像映射关系；应用自身携带的相机按照经规划的拍照位置、拍照姿态对探测器局部成像，利用全局图像像点与局部图像映射关系，通过搜索与全局图像像点匹配的局部图像像点，拼接出完整的具有丰富细节的组合体全局图像。的具有丰富细节的组合体全局图像。的具有丰富细节的组合体全局图像。

【技术实现步骤摘要】
一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法


[0001]本专利技术涉及一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法，属于空间


技术介绍

[0002]航天器在月面工作时，需对自身设备状态进行确认，可采取监测相应设备电压、电流、温度等的变化，通过与预期结果的比对，判断其是否正常。但组合体航天器在月面工作时具有工作环境复杂、器上运动机构多、机构运动约束多等特点，传统遥测方法逐渐暴露出获取信息有限、不能直观反映航天器状态等不足，越来越难以满足航天任务的要求。
[0003]可视化技术通过对设备进行成像，可支持地面人员通过图像进行设备状态判断和任务支持。该技术除了可以为指令执行效果评估、航天器健康状态监测、故障诊断及排除提供重要支撑外，所获取的图像还能用于任务展示和任务规划，因此该技术越来越多的应用于航天任务当中。我国的嫦娥系列探测器、神舟飞船、美国的好奇号、欧空局哨兵系列卫星等均在轨成功应用，获得了良好的效果。
[0004]但当前的可视化多为局部可视化，对于大型航天器的全局可视化，信息获取的方法及手段比较少，且每种方法都有其应用局限。结合组合体航天器自身结构布局、任务的特点，当前主要的全局可视化遥测方法及存在的问题如下：
[0005](1)资源受限，很难有第三方视角全方位拍照。对于深空探测任务，航天器的重量、体积资源都非常宝贵，如非必要，基本不会携带巡视器等其他独立航天器，因此也就很难建立第三方视角对航天器进行全局可视化。
[0006](2)若配置了第三方航天器，由于第三方航天器与组合体距离远，不能呈现细节；第三方航天器成像视角单一，不能获取组合体的某些表面信息。组合体探测器具有自身尺寸规模大、表面设备多、运动机构多等特点，如获取更多的信息，需要第三方航天器与组合体有足够的距离，这样就会损失很多细节，难以反映组合体状态；由于地形、光照条件、拍摄时长、第三方高度的限制，第三方成像只能在某个角度范围内进行拍照，这将很难获取完整的组合体全局信息；
[0007](3)通过自身相机获取局部图像，存在难以展现整体复杂状态、局部图像信息利用不充分等问题。由于组合体航天器的复杂性，需确认的状态较多且范围大，因此局部图像不足以反映复杂状态，且存在局部可视化信息利用不充分等问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法，
[0009]本专利技术的技术解决方案是：一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法，包括：
[0010]利用组合体探测器所配置的可视化设备，确定全局可视化必要性；若有必要，选取
全局图像虚拟成像点；
[0011]针对月面工作状态确认需求，综合组合体探测器相机成像能力、机构运动范围因素，确定最优可视化路径；
[0012]利用Pro/E模型在全局图像虚拟成像点处获取全局图像、按照最优可视化路径获取全部局部图像，并在全局图像虚拟成像点建立坐标系，计算在该坐标系下的全局图像像点与局部图像映射关系；
[0013]在轨控制机械臂沿最优可视化路径获取全部局部图像，然后根据全局图像像点与局部图像映射关系完成真实全局图像拼接，实现探测器全局可视化。
[0014]进一步地，所述判断全局可视化的必要性的方法包括：
[0015]将机械臂展开至极限位置，依次在空间XOY、YOZ、XOZ面内移动机械臂并对探测器成像；
[0016]对有可视化呈现需求的探测器部位按重要程度进行排序，总数记为N
F
；
[0017]根据机械臂可达空间、相机成像能力、结构遮挡、需可视化呈现的部位，利用相机模拟成像，判断该特征是否能够被成像，然后对能够拍摄到的部位按重要程度进行再次排序，总数记为N
F
′
；
[0018]根据有可视化呈现需求的探测器部位、能够拍摄到的部位、两个总数，以及预设必要性判断准则判定是否有全局展示的必要性。
[0019]进一步地，所述预设必要性判断准则包括：
[0020]按展示部位数量占比判断，若则认为有可视化的必要性；
[0021]按展示部位重要程度判断，若最重要的F1能够被成像，认为有全局展示的必要性。
[0022]进一步地，所述选取全局图像虚拟成像点的方法包括：
[0023]按设定步长改变虚拟点坐标，并截取全局视图，计算视图包含的可呈现的部位数量占比η，直至η>80％，则寻找到合适的虚拟成像点位置；虚拟成像角按90
°
选择。
[0024]进一步地，所述确定最优的可视化路径中，四关节机械臂的路径规划流程包括：
[0025]设第一关节的旋转角度alpha，第二、三关节的旋转角度beta+gamma；在alpha方向进行N次均匀采样，在beta方向进行M次均匀采样，总数为N*M次采样，对于每个采样点：
[0026]alpha＝alpha_min+i/N*(alpha_max
–
alpha_min)
[0027]beta＝beta_min+j/M*(beta_max
–
beta_min)
[0028]gamma＝180
[0029]其中，i＝0
…
N
‑
1，j＝0
…
M
‑
1；第一关节为轴向旋转；第二、三关节在由第一关节决定的工作平面内的最远可达路径；第四关节的旋转角度为90度；
[0030]按照以上姿态依次获取局部图成像，然后计算所有局部图对探测器整体的覆盖率σ，若σ≥0.98，则进行降采样，直至σ<0.98；选择局部图像最少且少于30幅图，同时满足σ>0.98的姿态序列作为最优路径。
[0031]进一步地，所述局部图像对全局图像的覆盖性σ计算公式如下：
[0032]ST
pixel
＝S1
pixel
∪S2
pixel
∪
…
U Sn
pixel
‑
SR
pixel
[0033][0034]其中，ST
pixel
表示所有局部图像的有效像素数量，Sn
pixel
表示第n个局部图像中的有效像素数量，SR
pixel
表示局部图像的重复有效像素，G
pixel
为全局图像的像素数量。
[0035]进一步地，所述建立全局图像像点与局部图像映射关系的方法包括：
[0036]在虚拟像点处建立坐标系ψ
g
；
[0037]利用Pro/E模型，在虚拟成像点位置获取全局图像，根据小孔成像模型，逐点计算二维像点在ψ
g
下的三维坐标；
[0038]利用Pro/E模型，依照规划的可视化路径，依次截取局部图像，并在局部成像点建立坐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法，其特征在于包括：利用组合体探测器所配置的可视化设备，确定全局可视化必要性；若有必要，选取全局图像虚拟成像点；针对月面工作状态确认需求，综合组合体探测器相机成像能力、机构运动范围因素，确定最优可视化路径；利用Pro/E模型在全局图像虚拟成像点处获取全局图像、按照最优可视化路径获取全部局部图像，并在全局图像虚拟成像点建立坐标系，计算在该坐标系下的全局图像像点与局部图像映射关系；在轨控制机械臂沿最优可视化路径获取全部局部图像，然后根据全局图像像点与局部图像映射关系完成真实全局图像拼接，实现探测器全局可视化。2.根据权利要求1所述的一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法，其特征在于，所述判断全局可视化的必要性的方法包括：将机械臂展开至极限位置，依次在空间XOY、YOZ、XOZ面内移动机械臂并对探测器成像；对有可视化呈现需求的探测器部位按重要程度进行排序，总数记为N
F
；根据机械臂可达空间、相机成像能力、结构遮挡、需可视化呈现的部位，利用相机模拟成像，判断该特征是否能够被成像，然后对能够拍摄到的部位按重要程度进行再次排序，总数记为N
F
′
；根据有可视化呈现需求的探测器部位、能够拍摄到的部位、两个总数，以及预设必要性判断准则判定是否有全局展示的必要性。3.根据权利要求2所述的一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法，其特征在于，所述预设必要性判断准则包括：按展示部位数量占比判断，若则认为有可视化的必要性；按展示部位重要程度判断，若最重要的F1能够被成像，认为有全局展示的必要性。4.根据权利要求1所述的一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法，其特征在于，所述选取全局图像虚拟成像点的方法包括：按设定步长改变虚拟点坐标，并截取全局视图，计算视图包含的可呈现的部位数量占比η，直至η>80％，则寻找到合适的虚拟成像点位置；虚拟成像角按90
°
选择。5.根据权利要求1所述的一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法，其特征在于：所述确定最优的可视化路径中，四关节机械臂的路径规划流程包括：设第一关节的旋转角度alpha，第二、三关节的旋转角度beta+gamma；在alpha方向进行N次均匀采样，在beta方向进行M次均匀采样，总数为N*M次采样，对于每个采样点：alpha＝alpha_min+i/N*(alpha_max
–
alpha_min)beta＝beta_min+j/M*(beta_max
–
beta_min)gamma＝180其中，i＝0
…
N
‑
1，j＝0
…
M
‑
1；第一关节为轴向旋转；第二、三关节在由第一关节决定的工作平面内的最远可达路径；第四关节的旋转角度为90度；按照以上姿态依次获取局部图成像，然后计算所有局部图对探测器整体的覆盖率σ，若σ≥0.98，则进行降采样，直至σ<0.98；选择局部图像最少且少于30幅图，同时满足σ>0.98的
姿态序列作为最优路径。6.根据权利要求5所述的一种组合体探测器月面工作状态的全局可视化方法，其特征在于，所述局部图像对全局图像的覆盖性σ计算公式如下：ST
pixel

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁映，顾征，陈丽平，王彤，曹宇，罗光辰，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：