嫦娥三号“玉兔号”巡视器遥操作中的关键技术

2013年12月14日,"嫦娥三号"成功地将月面着陆器和"玉兔号"巡视器送抵月球,这标志着我国已完成了探月工程中"落"月的重要阶段.嫦娥三号任务的一个关键组成部分是由地面遥操作中心控制"玉兔号"巡视器在月面非结构化环境中进行巡视和科学探测,而遥操作技术正是该组成部分成功实施的关键."玉兔号"巡视器遥操作技术主要包括巡视器的导航定位、月面地形重构、行驶路径规划和机械臂探测等关键步骤,这些步骤相互支撑与融合,保证了嫦娥三号任务的顺利实施.本文在对上述4个方面关键技术的发展和应用现状进行总结的基础上,阐述了相关的主要技术途径及其应用特点,分析了各种技术在"玉兔号"月面巡视与科学探测任务实施中的发挥的重要作用,并评述了它们的发展潜力和应用前景,对中国探月工程以及后续火星探测工程中的遥操作具有一定的指导意义.     

月球车实时遥操作方法研究

在月球探测任务中,利用无人月球车在月面移动,对一定范围的月面环境进行探测,是一种较为安全的方式.月球车的月面巡视是一个以轮地交互为基础、地面实时监视控制的过程.根据恢复的月面三维地形环境,地面进行探测目标选择和巡视路径规划,以远程控制的方式控制月面巡视.本文提出了一种月球车在线控制方式,基于虚拟现实技术,对月面地形环境和月球车状态进行运动学和视景仿真,地面控制人员通过人机交互,控制虚拟月球车行进,控制信号经验证后生成月球车的控制指令,实现月球车的在线控制.为应对地月通讯延时问题,采用预测显示方法,避免了大延迟的影响.本方法减少了控制环节,提高了月球车远程控制的效率和安全性.     

嫦娥三号巡视器GNC及地面试验技术

嫦娥三号巡视器是我国首个实现地外天体表面巡视探测的航天器,其制导导航控制（GNC）技术与地球卫星和飞船等全然不同.嫦娥三号巡视器GNC系统突破了月面自主导航定姿定位和协调运动控制、基于双目立体视觉的自主环境感知、基于地形通过性量化分析的路径规划、基于主动结构光被动视觉的激光探测避障以及地面试验验证等关键技术.在轨飞行试验结果表明,GNC系统实现了既定任务目标,为未来火星等深空巡视探测任务奠定了技术基础.本文对巡视器GNC系统的任务要求、系统组成、功能实现方案及关键技术、工作模式、地面试验验证及在轨飞行情况等方面进行了系统介绍.     

基于视觉的嫦娥四号探测器着陆点定位

我国于2018年12月8日发射嫦娥四号月球探测器,实施世界上首次月球背面软着陆和巡视探测.探测器着陆点的快速高精度定位是其中的一个重要技术环节,也是着陆器和巡视器开展月面探测工作的重要前提.本文基于高精度图像匹配和几何变换方法,结合实际工程任务需求,首先利用探测器动力下降期间的近实时高压缩比降落序列影像完成了着陆点的快速初始定位;其次利用回放的低压缩比降落影像对该位置进行了精化,最终解算的嫦娥四号探测器着陆点位置为(177.5884°E, 45.4565°S).该定位方法及结果被成功应用于实际工程任务中,为嫦娥四号任务着陆区的地形分析及后续遥操作的任务规划提供了重要支持.     

嫦娥四号巡视器天地一体化安全操控设计

嫦娥四号实现了人类首次月背着陆巡视探测,中继通信支持的任务约束以及复杂月背地形给巡视器的月面工作带来了挑战.针对控制结果延时反馈、月背崎岖地形、月背地形遮挡、月面环境不确定性等任务特点,从器上自主控制和地面智能操控两方面构建安全操控架构,着重解决了机构安全控制、可靠释放分离、安全移动、自主热控、休眠唤醒、高效安全工作等关键难题,保障巡视器成功完成了月背巡视探测任务.     

地月中继链路系统设计与验证

嫦娥四号任务由着陆器、巡视器和中继星组成,中继星先于着陆器与巡视器发射,着陆器与巡视器着陆于月球背面开展探测任务.中继链路系统负责搭建地面站与月面探测器之间的通信链路,是其工程实现的关键组成部分之一.本文针对嫦娥四号任务特点,开展中继链路系统任务需求分析,并提出中继链路系统方案.该方案在兼顾任务需求的同时,充分继承了嫦娥三号任务成果,并开展系统级优化设计,降低了嫦娥四号任务工程实现代价.该方案结合嫦娥四号任务实际过程,对动力下降、着陆器与巡视器分离、休眠唤醒等关键过程中的中继链路系统工作模式开展设计.最后,本文对系统验证情况进行了介绍.     

嫦娥四号月面巡视器全景相机制图方法

作为嫦娥四号月面巡视器的科学载荷,全景相机不仅承担着探测月面地质的任务,同时可以用于制图和地形重建,直接服务于巡视器的导航规划工作.在试验场选用一种模型方法用于前期标定实验,但为了后期制图工作的方便往往需要选用另一种模型,基于此,本文提出了一种基于畸变模型参数转换的去畸变方法,技巧性地解决了标定模型和制图模型不一致的问题,并融合支持像点(support points)稠密匹配、空间前方交会、最小二乘光束法平差、离散点云生成、德劳内三角化等多项技术,将全景相机影像用于制图工作.基于月面巡视器在LE00210站点拍摄的全景相机影像,在实验室构建控制场对本文提出的畸变模型参数转换方法进行了可行性和精度测试,结果表明畸变模型转换后定位精度优于1.6 cm,相对距离精度优于4%,并成功应用于嫦娥四号巡视器全景相机制图.     

嫦娥三号巡视器视觉定位方法

月面巡视器的定位是巡视器开展月面科学考察工作的基础,是一项关键技术.本文提出了一种基于计算机视觉的定位方法,将SIFT(scale-invariant feature transform)匹配、相关系数匹配、最小二乘匹配和光束法平差等多项技术融合,实现了相邻站间月面巡视器的导航定位.在实验室构建立体视觉导航系统对本文的方法进行可行性和精度测试,结果表明视觉定位相对精度将优于4%,并成功应用于玉兔号巡视器定位.     

玉兔2号月球车大间距导航成像的空间分辨率建模分析

玉兔2号月球车在月面巡视探测中,因斜坡凹坑众多使得行驶滑移严重.导航点的精确定位是路径规划的前提,也是月球车安全行驶的保障.玉兔2号月球车月面行进采用大间距行进模式,相邻导航点之间大多相距7 m以上,使得前后站图像的缩放尺度差异较大,如何从前后站序列成像中选出最优配对图像以实现特征匹配与定位解算的全自动是导航点定位的关键.本文在分析站点距离和成像倾角对图像重叠度、重叠区尺度变换等因素影响的基础上,提出并建立了图像像素的空间分辨率(单个像素对应月面区域的尺寸)与摄影光线长度和观测面法线方向角的关系模型,给出了不同站点距离和成像距离条件下图像重叠与缩放的定量关系,设计了站点距离、最优配对图像和匹配可行性的计算策略,从根本上确立了站点距离与成像距离对导航点定位的影响关系.结合嫦娥四号任务数据,对上述模型和分析的有效性进行验证,确立了上述方法对工程任务的指导意义.     

月面巡视区域地形与巡视器通过性统计分析

在国内外月球地形地貌的研究成果综述的基础上,利用"嫦娥三号"巡视器获得的巡视区域地形信息,对月岩和撞击坑等典型地形特征的分布进行了统计分析,构建了描述分布规律的数学模型.对巡视器的通过性进行了研究,得到了不同通过能力对应的平均自由程等分析结果,作为巡视器路径规划及运动模式选择的基础,也可以作为后续软着陆任务地形特征建模的参考.     

基于线圆结构和LINGO的机器人避障路径选择

静态环境下机器人行走全局规划路径是机器人行走路径的核心问题。针对机器人在平面区域内绕过不同障碍到达目标点的最短路径和最短时间路径进行研究，通过线圆结构和非线性规划基本模型，建立绕单和多（五）个障碍点非线性规划模型，使用lingo软件和穷举法，得到了机器人避障最短路径、最短时间路径、各切点坐标和所需时间。     

基于模糊模式识别理论的规划环境影响评价

研究了模糊模式识别理论在规划环境影响评价中应用的问题.以阜新市经济转型期水资源综合规划的环境影响评价为例,对该规划进行了环境影响识别,构建了环境影响评价的指标体系,分析了规划中各个环境主题对环境影响的贡献,建立了水资源规划环境影响评价的模糊模式识别模型.评价结果表明,阜新市经济转型期水资源规划具有一定的环境彩响.为水资源规划的可行性提供了科学依据.     

嫦娥三号月球车机械臂探测点定位方法

结合中国嫦娥三号月球车探测的科学应用目标,提出了一种基于投影变换的机械臂探测点定位方法.该方法在总结鱼眼镜头成像模型基础上,建立球面投影与透视投影间的转换关系,求得球面投影中像主点坐标和球半径,利用相关参数将球面投影图像转化为透视投影图像;结合月球车上鱼眼相机的安装位置相对固定,将转换后的透视投影图像重采样生成核线影像.利用相关系数和最小二乘匹配,在鱼眼相机核线影像上实现特征点的亚像素级匹配.通过前方交会计算探测点的三维坐标,并结合探测点邻域点坐标拟合最佳空间平面,获取平面的法向量,即机械臂探测点的定位.采用该方法对仿真图像进行了定位计算,并将计算值与仿真真值进行比较,总误差约为2 mm.实验结果表明,该方法完全能够满足嫦娥三号月球车机械臂探测的定位精度.     

一种基于扩展有限状态机的自动化测试用例生成方法

扩展有限状态机(EFSM)是使用最广泛的测试模型之一.由于不可行路径的存在,运用EFSM模型生成测试用例仍然是个难题.本文提出了一种基于EFSM模型的自动化测试用例生成方法 (ATGEM).为解决不可行路径问题,首先提出一种基于数据流分析的路径可行性度量方法来预测路径的可行性,以尽可能避开不可行路径,提高测试用例自动化生成的效率.然后通过建立动态可执行模型来获取运行时反馈信息作为搜索算法的适应度函数(fitness function),实现测试数据和预言信息的自动生成.该方法结合静态分析和动态分析技术生成一个较优可行路径子集和对应测试用例来达到指定的覆盖准则,能够应用于多种数据类型的测试用例生成,适用范围较广.通过实验在多个EFSM模型上验证了ATGEM方法中测试用例生成和路径可行性度量方法的有效性,实验结果表明,利用路径可行性度量方法可以大幅度提高测试用例生成效率,与现有方法相比,ATGEM中的测试用例生成方法具有更高的效率.     

基于改进蚁群算法的移动机器人路径规划

为了提高移动机器人在复杂静态环境下快速、精确地实现避障路径规划的能力，在蚁群算法的基础上进行改进，采用最优一最差蚂蚁系统，并且引入最差路径信息素自适应参数以更好地寻找全局最优解。搜索过程中引入起点终点引导函数，优先搜索距离起点远而距终点近的节点。为提高算法的实用性，运用几何方法对路径进行修正处理。从而实现了机器人的快速、精确路径规划。通过计算机仿真研究表明：该算法具有较强的实用性，能明显改善路径规划性能，并且算法简单有效。     

月球轨道器交会对接同波束VLBI测量差分相时延实时解算

同波束VLBI技术是解决月球轨道交会对接地面高精度引导的重要手段．传统的多频点同波束VLBI实时解算算法成功解算差分相位整周模糊度的概率较低，而事后统计修正求解整周模糊度的算法存在较大的时间滞后，从而直接影响月球轨道交会对接两个航天器地面定轨、定位的精度以及实时性．在此背景下，本文研究了应用于月球交会对接条件下的同波束VLBI差分相时延实时解算算法．首先给出了多频点同波束VLBI解算差分相时延及整周模糊度的原理，根据差分相关相位整周模糊和差分相时延实时及事后解算结果，对整周模糊度产生的原因进行分析通过求解精确差分群时延值、采用匹配搜索算法以及差分相位连接条件对传统实时解算算法进行改进，提出一种新的差分相时延实时解算算法．利用SELENE同波束VLBI观测数据进行实时解算．结果表明该算法成功解算模糊度的准确度达到95．49％，相对于传统解算算法准确度提高了5．45％．