考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法技术

本发明专利技术公开了考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法包括，对获取的着陆器下方相应区域的星体表面三维点云数据进行重采样；基于着陆器边长、导航制导控制误差和障碍物水平方向测量误差，确定搜索单元边长；构建初始搜索单元，计算该搜索单元的参数；通过设定的坡度、粗糙度和最大高程差安全阈值，判断该初始搜索单元是否满足着陆条件；本发明专利技术采用中心双层螺旋的搜索方式，能够快速选取着陆安全区，同时将障碍物在水平和竖直两个方向上的尺寸测量误差分别考虑进搜索单元边长和粗糙度的计算上，并对搜索单元内激光点的最大高程差进行了约束，提高了着陆安全区的可信度和安全性。和安全性。和安全性。

【技术实现步骤摘要】
考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法


[0001]本专利技术专利涉及行星探测器在地外天体表面避障软着陆安全区选取领域，尤其涉及考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法。

技术介绍

[0002]地外天体表面形貌复杂，例如月球、火星表面遍布坑石障碍，给探测器安全软着陆带来较大风险和挑战。早期的月球探测器多采用盲降的方式着陆至相对平坦的月海区域。美国“阿波罗11号”开始的载人探月主要通过宇航员目视的方式避开月面障碍物，降落到安全区域，对降落时的光照条件和宇航员观测视角提出了较高要求。对于燃料受限且与地球通信时延较长的地外天体无人系统探测器而言，为了实现在环境复杂、形貌未知的地外天体表面安全软着陆，其必须具备获取星体表面形貌信息并快速自主选取安全着落区的能力。我国嫦娥三号、四号、五号和天问一号探测器在距离月球和火星表面约100米高度处悬停并采用激光三维成像的方式，快速识别月球和火星表面障碍，进行着陆安全区的快速选取，成功实现了在月球和火星表面的安全软着陆。
[0003]然而，搭载在着陆器上的在测量下方地表形貌时存在一定的误差，可能会引起对障碍物水平和竖直方向尺寸的误判，从而导致着陆安全区的误选，给着陆过程带来风险。为了解决这一问题，在着陆器悬停段利用进行着陆安全区选取时，有必要考虑星体表面障碍物的形貌测量误差，从而进一步提高安全着陆区选取的可信度和可靠性。

技术实现思路

[0004]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0005]鉴于上述现有存在的问题，提出了本专利技术。因此，本专利技术提供了考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法，用来解决实际问题中，着陆器上的在测量下方地表形貌时存在误差从而导致着陆安全区误选的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]本专利技术提供了考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法，包括：
[0008]对获取的着陆器下方相应区域的星体表面三维点云数据进行重采样；
[0009]基于着陆器边长、导航制导控制误差和障碍物水平方向测量误差，确定搜索单元边长；
[0010]构建初始搜索单元，并计算所述搜索单元的参数；
[0011]通过设定的坡度、粗糙度和最大高程差安全阈值，判断该初始搜索单元是否满足着陆条件。
[0012]作为本专利技术所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法的一种优选方案，其中：所述对获取的着陆器下方相应区域的星体表面三维点云数据进行重采
样，包括：
[0013]通过激光点云数据在XOY平面投影点外包矩形和X、Y方向要求重采样的点数，计算每个待重采样点的X、Y坐标及每个格网的位置；
[0014]根据每个格网的位置和边长，基于激光雷达输出的每个激光点的平面坐标，计算其所属的格网；
[0015]利用待重采样点邻域格网中的点云数据Z值均值，计算待重采样点的Z值。
[0016]作为本专利技术所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法的一种优选方案，其中：基于着陆器边长、导航制导控制误差和障碍物水平方向测量误差，确定搜索单元边长，包括：
[0017]设定搜索单元边长为L，着陆器边长为LanderSize，着陆器制导导航控制误差为ε_GNC，第k个障碍物水平方向的测量误差为ε_horizontal_meansure
k
，得到公式：
[0018][0019]作为本专利技术所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法的一种优选方案，其中：构建初始搜索单元，计算构建的初始搜索单元的参数，包括：
[0020]以重采样点云的中心位置为中心，结合所述确定的搜索单元边长作为边长，将区域内的重采样点云整体构建为一个初始搜索单元；
[0021]计算该初始搜索单元的平均坡面坡度和单元内重采样激光点的最大高程差，并结合障碍物竖直方向测量误差，进一步计算该初始搜索单元的粗糙度、安全半径和安全系数。
[0022]作为本专利技术所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法的一种优选方案，其中：计算该初始搜索单元的平均坡面坡度和单元内重采样激光点的最大高程差，并结合障碍物竖直方向测量误差，进一步计算该初始搜索单元的粗糙度，包括：
[0023]对该初始搜索单元内的重采样激光点，利用最小二乘拟合，构建该初始搜索单元平均坡面，并计算该平均坡面坡度；
[0024]计算初始搜索单元内重采样激光点的最大高程差；
[0025]以中心螺旋方式计算该初始搜索单元内每个重采样激光点到所构建的平均坡面的距离以及粗糙度。
[0026]作为本专利技术所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法的一种优选方案，其中：以中心螺旋方式计算该初始搜索单元内每个重采样激光点到所构建的平均坡面的距离以及粗糙度，包括：
[0027]利用点到平面的距离公式，得到初始搜索单元内第i个激光点到平均坡面的距离d
i
；
[0028]通过考虑障碍物竖直方向测量误差后，得到该激光点到平均坡面的距离d'
i
为:
[0029][0030]其中,为第k个障碍物竖直方向的测量误差；
[0031]得到该搜索单元粗糙度为：
[0032]roughness＝max(d
′
i
)。
[0033]作为本专利技术所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法的一
种优选方案，其中：计算初始搜索单元的安全半径，包括：
[0034]将该初始搜索单元内到平均坡面距离大于粗糙度安全阈值的激光点所在位置标记为危险像素，并将搜索过程中遇到的第一个危险像素到该初始搜索单元中心的最小距离作为该初始搜索单元的安全半径。
[0035]作为本专利技术所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法的一种优选方案，其中：计算初始搜索单元的安全系数，包括：
[0036]基于计算得到的初始搜索单元平均坡面坡度和搜索单元安全半径，通过加权求和的方式计算该初始搜索单元的安全系数S，计算公式如下：
[0037][0038]其中，k
s
和k
r
分别表示坡度和安全半径的权重，T
s
和T
r
分别表示坡度和安全半径的安全阈值，θ和r分别表示该初始搜索单元的平均坡面坡度和安全半径。
[0039]作为本专利技术所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法的一种优选方案，其中：通过设定的坡度、粗糙度和最大高程差的安全阈值，判断该初始搜索单元是否满足着陆条件，包括：
[0040]若满足着陆条件，则选择该初始搜索单元为安全着陆区；若不满足着陆条件，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法，其特征在于，包括：对获取着陆器下方相应区域的星体表面三维点云数据进行重采样；基于着陆器边长、导航制导控制误差和障碍物水平方向测量误差，确定搜索单元边长；构建初始搜索单元，并计算所述搜索单元的参数；通过设定的坡度、粗糙度和最大高程差安全阈值，判断该初始搜索单元是否满足着陆条件。2.如权利要求1所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法，其特征在于，所述对获取着陆器下方相应区域的星体表面三维点云数据进行重采样，包括：通过激光点云数据在XOY平面投影点外包矩形和X、Y方向要求重采样的点数，计算每个待重采样点的X、Y坐标及每个格网的位置；根据每个格网的位置和边长，基于激光雷达输出的每个激光点的平面坐标，计算其所属的格网；利用待重采样点邻域格网中的点云数据Z值均值，计算待重采样点的Z值。3.如权利要求2所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法，其特征在于，基于着陆器边长、导航制导控制误差和障碍物水平方向测量误差，确定搜索单元边长，包括：设定搜索单元边长为L，着陆器边长为LanderSize，着陆器制导导航控制误差为ε_GNC，第k个障碍物水平方向的测量误差为ε_horizontal_meansure
k
，得到公式：4.如权利要求3所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法，其特征在于，构建初始搜索单元，计算构建的初始搜索单元的参数，包括：以重采样点云的中心位置为中心，结合所述确定的搜索单元边长作为边长，将区域内的重采样点云整体构建为一个初始搜索单元；计算该初始搜索单元的平均坡面坡度和单元内重采样激光点的最大高程差，并结合障碍物竖直方向测量误差，进一步计算该初始搜索单元的粗糙度、安全半径和安全系数。5.如权利要求4所述的考虑障碍形貌测量误差的激光遥感着陆安全区选取方法，其特征在于，计算该初始搜索单元的平均坡面坡度和单元内重采样激光点的最大高程差，并结合障碍物竖直方向测量误差，进一步计算该初始搜索单元的粗糙度，包括：对该初始搜索单元内的重采样激光点，利用最小二乘拟合，构建该初始搜索单元平均坡面，并计算该平均坡面坡度；计算初始搜索单元内重采样激光点的最大高程差；以中心螺旋方式计算该初始搜索单元内每个重采样激光点到所构建的平均坡面的距离以及粗糙度。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：童小华，肖长江，谢欢，罗志鲜，金雁敏，刘世杰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：