一种地外天体探测采样区可采性评估方法、介质及设备技术

本发明专利技术一种地外天体探测采样区可采性评估方法、介质及设备，其中方法包括：计算采样点的平坦度、坡度、和坡向；判断采样点是否超出机械臂的位姿极限；判断采样点是否在机械臂的工作空间内；判断机械臂是否与自身或着陆器发生干涉；根据采样点的平坦度，以及上述步骤的判断结果，计算采样点的可采性参数。本发明专利技术将摄影测量原理与机器人建模控制技术相结合，提出了一种地外天体探测采样区可采性评估方法，充分考虑了采样区的平坦度、可达性以及机械臂的安全性等因素，用数值量化各个因素的影响，得到各采样点的可采性参数，便于地面操作人员选取采样点，能够很大程度上减轻操作人员对操作状态分析的负担，提高采样区分析的实施效率。

Evaluation method, medium and equipment for sampling ability of extraterrestrial celestial body sampling area

The invention relates to a method, medium and equipment for evaluating the admissibility of an extraterrestrial celestial body detection sampling area. The method comprises calculating the flatness, slope, and slope direction of the sampling point, judging whether the sampling point exceeds the position and attitude limit of the manipulator, judging whether the sampling point is in the working space of the manipulator, and judging whether the manipulator is in itself or in the working space of the manipulator. The lander interferes, and the admissibility parameters of the sampling points are calculated according to the flatness of the sampling points and the judgment results of the above steps. The invention combines photogrammetry principle with robot modeling control technology, and proposes a method for evaluating the admissibility of the sampling area for extraterrestrial celestial body detection. The factors such as the flatness, accessibility of the sampling area and the safety of the manipulator are fully considered, and the influence of each factor is quantified numerically to obtain the admissibility parameters of each sampling point. The number of sampling points can be easily selected by ground operators, which can greatly reduce the burden of operator on operation status analysis and improve the implementation efficiency of sampling area analysis.

【技术实现步骤摘要】
一种地外天体探测采样区可采性评估方法、介质及设备
本专利技术涉及摄影测量原理与机器人建模控制技术，具体涉及一种地外天体探测采样区可采性评估方法、介质及设备。
技术介绍
地外天体采样任务是指从地球之外的天体采集土壤、岩石等样品并带回地球进行科研分析，旨在帮助人类探索空间资源分布、了解地外天体起源与演变历史。目前，美国、俄罗斯、日本、欧洲等主要航天组织已成功实施过多次采样与返回任务。我国自2004年正式开展探月工程以来，已成功实现月球“绕”、“落”关键技术，并且收集了大量月球表面地形地貌的图像数据。目前正在研制的嫦娥五号任务，标志着我国已进入月球采样返回任务的实施阶段。但目前在机器人执行地外天体采样任务的过程中，由于地形环境未知，采样对象不确定等问题，造成采样任务难以有效进行。
技术实现思路
本专利技术针对地外天体采样任务中因地形环境未知和采样对象不确定性而造成的难以有效采样的问题，提供了一种地外天体探测采样区可采性评估方法、介质及设备。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种地外天体探测采样区可采性评估方法，包括以下步骤：步骤1、根据采样区的数字高程模型DEM图像，计算所述采样区中采样点的平坦度、坡度、和坡向；步骤2、根据着陆器上的机械臂的结构特征和所述采样点的坡度、坡向，计算所述机械臂的各个关节的关节角，根据所述关节角判断所述采样点是否超出所述机械臂的位姿极限；步骤3、根据所述机械臂的结构特征，判断所述采样点是否在所述机械臂的工作空间内；步骤4、根据所述关节角及着陆器本体的平面方程，判断机械臂是否与自身或所述着陆器发生干涉；步骤5、根据所述采样点的平坦度，以及步骤2至步骤4的判断结果，计算所述采样点的可采性参数。一种计算机可读存储介质，包括指令，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行上述方法。一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。本专利技术将摄影测量原理与机器人建模控制技术相结合，提出了一种地外天体探测采样区可采性评估方法，该方法充分考虑了采样区的平坦度、可达性以及机械臂的安全性等因素，用数值量化各个因素的影响，得到各个采样点的可采性参数，便于地面操作人员根据可采性参数选取采样点，能够很大程度上减轻操作人员对操作状态分析的负担，提高采样区分析的实施效率。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种地外天体探测采样区可采性评估方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的安装在机械臂上的末端执行器和触地传感器的构型剖面示意图图3为末端执行器与采样区构型关系示意图；图4为机械臂的结构示意图；图5为机械臂DH坐标模型示意图；图6是基座坐标系与着陆器平面关系示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。图1为本专利技术实施例提供的一种地外天体探测采样区可采性评估方法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：110、根据采样区的数字高程模型DEM图像，计算所述采样区中采样点的平坦度、坡度、和坡向。下面分别介绍平坦度、坡度和坡向的计算过程。1、平坦度计算利用采样区DEM图像，按照一定窗口大小，对DEM图像计算窗口中所有像元进行平面拟合，求取计算窗口中所有像元到拟合平面的距离平均值，将该值作为窗口中心像元对应的平坦度值。平坦度反映了窗口区域中每一个像素对应空间坐标和窗口区域拟合平面之间的距离离散度关系。平坦度值越大，即像素对应空间点到平面的距离离散度越大，说明该窗口区域越不平坦；反之平坦度值越小，反映了像素对应空间点到平面的距离离散度越小，说明该窗口区域越平坦。平坦度计算过程如下：1101、获取采样区的DEM图像，设定DEM图像中计算窗口大小。具体的，图2为本专利技术实施例中的安装在机械臂上的末端执行器和触地传感器的构型剖面示意图，如图2所示，末端执行器210和触地传感器220通过一个铰接构件230连接，将铰接构件230和末端执行器210等效为两条直线。坐标系原点为两直线交点，-Z3方向的铰接构件230，长度为d3；X3方向的末端执行器210，长度为M1+M2，设定计算窗口大小为末端执行器210和触地传感器230组成的第三关节平面大小的两倍，即2d3×(M1+M2)。1102、使用最小二乘法对所述计算窗口中的所有像元进行平面拟合，得到拟合平面。具体的，设计算窗口内待拟合的n个点为(xi,yi,zi)，i＝1,2,3,...n。待求的拟合平面方程为：ax+by+cz+d＝0令a2+b2+c2＝1，则任一待拟合点(xi,yi,zi)，i＝1,2,3,...n到该平面的距离为：ei＝|axi+byi+czi+d|(1)为了获得最佳拟合平面，应使得：最小。即应满足：计算函数f对d偏导，可得：可求得d：将式(2)代入式(1)可得：令则可得：计算函数f对a偏导，可得：令可得：同理可得函数f对b,c偏导：由此可得：求解矩阵的最小特征值对应的特征向量，可求得法向量(abc)T。由式(2)求得d，从而确定拟合平面方程。1103、计算所述计算窗口中所有像元到所述拟合平面的距离平均值，作为所述计算窗口的中心像元对应的采样点的平坦度值。具体的，设步骤1102中拟合的平面为xoy平面，采样区中心点的投影为原点，垂直于xoy向上的轴为z轴建立坐标系，平坦度定义为窗口内所有像素到该平面垂直距离的平均值：其中(xi,yi,zi)为窗口中各个像素对应的空间坐标，窗口区域大小为W×W像素，V(x,y)为当前窗口中心像元对应的平坦度值，N为窗口内参与计算的像元个数。将计算窗口遍历整个采样区，按照上述方法即可计算得到采样区中每个采样点的平坦度。2、坡度计算采样区坡度是反映地表单元陡缓的程度。坡度角越小，说明坡度越缓和；坡度角越大，则说明坡度越陡峭。坡度值的范围为：[0，90°]。坡度计算过程如下：1104、如图3所示，设步骤1102中得到的拟合平面对应的平面法向量为计算拟合平面的法向量与其在水平平面上投影向量之间的夹角的余角即为坡度，则坡度的计算公式为：3、坡向计算采样区坡向是反映斜坡面对的方向。坡向值的范围为：[0，360°]。坡向计算过程如下：1105、如图3所示，以东方向(x轴正方向)为起始方向，拟合平面的法向量在水平面的投影与起始方向的夹角，作为计算窗口的中心像元对应的采样点的坡向(按起始方向逆时针方向度量)，则坡向的计算公式为：步骤120和步骤130可统称为采样区的可达性计算，下面分别作具体说明：120、根据着陆器上的机械臂的结构特征和所述采样点的坡度、坡向，计算所述机械臂的各个关节的关节角，根据所述关节角判断所述采样点是否超出所述机械臂的位姿极限。步骤120具体包括：1201、利用机械臂的结构特征，对机械臂进行建模，得到机械臂各个关节之间的变换关系。具体的，本实施例以三自由度机械臂进行说明，如图4所示，机械臂的结构由三个回转关节和一个连杆构成，为了描述相邻杆件间平移和转动关系，对机械臂进行DH建模，图5为机械臂DH坐标模型示意图，如图5所示，以基座作为固定基准坐标系(X0Y0Z0系)，为每个关节和末端执行器建立坐标系(X1Y1Z1-X3Y3Z3，XTYTZT)。机械臂的DH参数如表1所示。表中，θi为关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地外天体探测采样区可采性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据采样区的数字高程模型DEM图像，计算所述采样区中采样点的平坦度、坡度、和坡向；步骤2、根据着陆器上的机械臂的结构特征和所述采样点的坡度、坡向，计算所述机械臂的各个关节的关节角，根据所述关节角判断所述采样点是否超出所述机械臂的位姿极限；步骤3、根据所述机械臂的结构特征，判断所述采样点是否在所述机械臂的工作空间内；步骤4、根据所述关节角及着陆器本体的平面方程，判断机械臂是否与自身或所述着陆器发生干涉；步骤5、根据所述采样点的平坦度，以及步骤2至步骤4的判断结果，计算所述采样点的可采性参数。

【技术特征摘要】
1.一种地外天体探测采样区可采性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据采样区的数字高程模型DEM图像，计算所述采样区中采样点的平坦度、坡度、和坡向；步骤2、根据着陆器上的机械臂的结构特征和所述采样点的坡度、坡向，计算所述机械臂的各个关节的关节角，根据所述关节角判断所述采样点是否超出所述机械臂的位姿极限；步骤3、根据所述机械臂的结构特征，判断所述采样点是否在所述机械臂的工作空间内；步骤4、根据所述关节角及着陆器本体的平面方程，判断机械臂是否与自身或所述着陆器发生干涉；步骤5、根据所述采样点的平坦度，以及步骤2至步骤4的判断结果，计算所述采样点的可采性参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的平坦度的计算过程具体包括：步骤1.1、获取采样区的DEM图像，设定所述DEM图像中计算窗口大小；步骤1.2、使用最小二乘法对所述计算窗口中的所有像元进行平面拟合，得到拟合平面；步骤1.3、计算所述计算窗口中所有像元到所述拟合平面的距离平均值，作为所述计算窗口的中心像元对应的采样点的平坦度值。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的坡度和坡向的计算过程具体包括：步骤1.4、计算所述拟合平面的法向量与其在水平面上投影向量之间的夹角的余角，作为所述计算窗口的中心像元对应的采样点的坡度；步骤1.5、计算所述拟合平面的法向量在水平面的投影与起始方向的夹角，作为所述计算窗口的中心像元对应的采样点的坡向。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2还包括：利用机械臂的结构特征，对所述机械臂进行建模，得到所述机械臂各个关节之间的变换关系；根据所述变换关系和所述采样点的坡度、坡向，利用逆运动学，执行所述计算机械臂各个关节的关节角的步骤。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4还包括：根据所述关节角，计算所述机械臂所在直线的直线方程；根据所述直线方程及着陆器本体的平面方程，计算机械臂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓雪，刘传凯，王镓，谢剑锋，张子宁，王保丰，马传令，薛栋娥，万文辉，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九二零部队，
类型：发明
国别省市：北京,11