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一种针对复杂地形的巡视探测器平均自由程计算方法

阅读：323发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种针对复杂地形的巡视探测器平均自由程计算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种针对于复杂地形环境的巡视探测器平均自由程计算方法，包括以下步骤：巡视探测器定位点和行驶方向的选择；巡视探测器车体投影区域可通过性判定；平均自由程计算。本发明通过建立星体地形数字高程图DEM，真实反映巡视探测器的探测环境，可应用于存在各种类型障碍(例如斜坡和不规则障碍)的复杂地形环境中，并且计算精度不受地形复杂程度的影响。本发明通过按固定角度间隔旋转星体地形数字高程图DEM图，并在每幅图上均沿固定方向直行的方法进行平均自由程计算，降低了算法复杂度，同时提高了仿真速度。本发明将坡度和高程值差作为单次自由程计算终止的判定条件，综合考虑了巡视探测器的爬坡能力和越障能力。，下面是一种针对复杂地形的巡视探测器平均自由程计算方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种针对于复杂地形环境的巡视探测器平均自由程计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、巡视探测器定位点和行驶方向的选择
A1、生成星体地形数字高程图Digital Elevation Map，DEM
由数字高程模型描述的某星体表面区域的地形数据是一组三维向量有限序列，用函数的形式描述为：Vi＝(Xi，Yi，Zi)(i＝1，2，3，…，n)，其中，Xi，Yi是平面坐标，Zi是Xi，Yi对应的高程；在Matlab 软件中首先编程实现平面坐标及高程的范围提取，即寻找X方向最小值Xmin和最大值Xmax、Y方向最小值Ymin和最大值Ymax、Z方向最小值Zmin和最大值Zmax；然后，确定地图中每个像素所代表的空间尺寸及不同灰度值所代表的高程值，建立用灰度图像描述的数字高程图，其中，0-255的灰度值与Zmin-Zmax之间为线性的映射关系；
A2、选择行驶方向
平均自由程为多次随机选择起始位置和行驶方向所获取的自由程的平均值，需要耗费很长的仿真时间；为了降低算法复杂度，提高仿真速度，选择按固定角度间隔旋转星体地形数字高程图DEM，然后在每幅图上均沿固定方向行驶的方法进行平均自由程计算，避免随机选择方向行驶时车体投影区域计算的复杂性；
A3、随机选点行驶
确定固定行驶方向后，在每幅星体地形数字高程图DEM中随机选择起始点作为巡视探测器起步的中心点，按照车体尺寸在星体地形数字高程图DEM中割取中心点周围车体投影范围内的地形高程数据；
B、巡视探测器车体投影区域可通过性判定
可通过性判定包括两个方面，一是坡度限制，另一个是垂直高度限制，两者皆为单次自由程计算终止的判定条件；设巡视探测器宽为b，越障能力即垂直高度为h，能爬越的坡度限制为θ；其中，步骤B1是坡度判定，步骤B2是垂直高度判定；当两者通过判定结果皆为巡视探测器可通过，则判定车体投影区域是可通过的；
B1、选择车体投影范围内的地形高程数据，利用最小二乘法进行空间平面拟合，根据拟合得到的空间平面参数获取车体投影区域的坡度信息，根据巡视探测器的行驶能力，坡度大于θ即为不可通过该区域，作为单次自由程计算终止的判定条件之一；
B2、在投影区域前部车宽b*h/tan θ的区域内，搜索最小高程值和最大高程值，若两者之差大于h，则认为超出越障能力范围，即不可通过，作为单次自由程计算终止的另一判定条件；
C、平均自由程计算
每次仿真计算自由程时，以直行遇到不可通过处为终点，获取单次能够行驶的最长直线距离，多次统计后求和平均，便可求出平均自由程。

说明书全文

一种针对复杂地形的巡视探测器平均自由程计算方法

技术领域

[0001] 本发明属于航空航天领域，涉及到巡视探测器平均自由程的计算方法，特别涉及到一种针对于复杂地形的巡视探测器平均自由程计算方法。

背景技术

[0002] 向月球、火星等外星体投放巡视探测器是深空探测领域的关键环节。平均自由程(Mean Free Path，MFP)是一个与巡视探测器碰到障碍物的概率和通过障碍物的能力有关的统计度量，其定义为：特定的地形中，在必须改变行驶方向之前，巡视探测器所能直线行走的平均路程。其主要用途有以下两个方面：(1)在特定地形下，评价巡视探测器的移动性能，为巡视探测器尺寸选择、悬架设计、底盘设计提供依据。(2)在巡视探测器确定的情况下，评价地形可通过性的优劣，为着陆区域的选择以及着陆区域安全系数的评价提供依据。目前，平均自由程的计算公式是由S.Michaud等人在《Rover Chassis Evaluation and Design Optimizations Using the RCET》中提出的，首先针对一定区域内阻碍巡视探测器漫游的障碍物，用直径描述其大小；然后统计不同直径范围障碍物在该区域内的个数，基于下述公式实现平均自由程的计算：

[0003]

[0004] 式中：b为车体宽度，D为阻碍巡视探测器漫游的障碍物直径，N为每平方米范围内直径为D～D+δD的障碍物的个数；下标i代表不同的障碍物。

[0005] 在实际应用中，由于星体表面环境比较复杂，现存的平均自由程计算公式存在以下缺陷：只考虑了平坦地形中仅存在类圆形障碍物的情况，若将形态各异的岩石、坑壕等阻碍巡视探测器漫游的障碍物均简化为一定直径的圆形障碍物处理，不可避免地带来一定的误差；当存在斜坡等地形时，平均自由程计算公式只考虑了巡视探测器的越障能力，而忽略了对其爬坡能力的验证，即通过公式计算平均自由程的方法不能考虑越障能力之外的其他移动性能。

发明内容

[0006] 为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出一种针对复杂地形环境的巡视探测器平均自由程计算方法，其计算精度不受地形复杂程度的影响，可应用于存在各种类型障碍物的地形环境中；在平均自由程计算过程中不仅要考虑巡视探测器的越障能力，还要考虑巡视探测器的爬坡能力，并可以任意添加其他移动性能指标；降低算法复杂度，有效提高计算速度。

[0007] 本发明的技术方案是：一种针对于复杂地形环境的巡视探测器平均自由程计算方法，包括以下步骤：

[0008] A、巡视探测器定位点和行驶方向的选择

[0009] A1、生成星体地形数字高程图Digital Elevation Map，DEM

[0010] 由数字高程模型描述的某星体表面区域的地形数据是一组三维向量有限序列，用函数的形式描述为：Vi＝(Xi，Yi，Zi)(i＝1，2，3，…，n)，其中，Xi，Yi是平面坐标，Zi是Xi，Yi对应的高程；在Matlab 软件中首先编程实现平面坐标及高程的范围提取，即寻找X方向最小值Xmin和最大值Xmax、Y方向最小值Ymin和最大值Ymax、Z方向最小值Zmin和最大值Zmax；然后，确定地图中每个像素所代表的空间尺寸及不同灰度值所代表的高程值，建立用灰度图像描述的数字高程图，其中，0-255的灰度值与Zmin-Zmax之间为线性的映射关系； [0011] A2、选择行驶方向

[0012] 平均自由程为多次随机选择起始位置和行驶方向所获取的自由程的平均值，需要耗费很长的仿真时间；为了降低算法复杂度，提高仿真速度，选择按固定角度间隔旋转星体地形数字高程图DEM，然后在每幅图上均沿固定方向行驶的方法进行平均自由程计算，避免随机选择方向行驶时车体投影区域计算的复杂性；

[0013] A3、随机选点行驶

[0014] 确定固定行驶方向后，在每幅星体地形数字高程图DEM中随机选择起始点作为巡视探测器起步的中心点，按照车体尺寸在星体地形数字高程图DEM中割取中心点周围车体投影范围内的地形高程数据；

[0015] B、巡视探测器车体投影区域可通过性判定

[0016] 可通过性判定包括两个方面，一是坡度限制，另一个是垂直高度限制，两者皆为单次自由程计算终止的判定条件；设巡视探测器宽为b，越障能力即垂直高度为h，能爬越的坡度限制为θ；其中，步骤B1是坡度判定，步骤B2是垂直高度判定；当两者通过判定结果皆为巡视探测器可通过，则判定车体投影区域是可通过的；

[0017] B1、选择车体投影范围内的地形高程数据，利用最小二乘法进行空间平面拟合，根据拟合得到的空间平面参数获取车体投影区域的坡度信息，根据巡视探测器的行驶能力，坡度大于θ即为不可通过该区域，作为单次自由程计算终止的判定条件之一； [0018] B2、在投影区域前部车宽b*h/tanθ的区域内，搜索最小高程值和最大高程值，若两者之差大于h，则认为超出越障能力范围，即不可通过，作为单次自由程计算终止的另一判定条件；

[0019] C、平均自由程计算

[0020] 每次仿真计算自由程时，以直行遇到不可通过处为终点，获取单次能够行驶的最长直线距离，多次统计后求和平均，便可求出平均自由程。

[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果和益处是：

[0022] 1、本发明提出的平均自由程计算方法，通过建立星体地形数字高程图DEM，真实反映巡视探测器的探测环境，可应用于存在各种类型障碍(例如斜坡和不规则障碍)的复杂地形环境中，并且计算精度不受地形复杂程度的影响。

[0023] 2、本发明通过按固定角度间隔旋转星体地形数字高程图DEM图，并在每幅图上均沿固定方向直行的方法进行平均自由程计算，降低了算法复杂度，同时提高了仿真速度。 [0024] 3、本发明利用巡视探测器车体投影区域的地形高程数据，进行平面拟合获取投影区域坡度信息，在车体投影区域搜索最小高程值和最大高程值并做差，将坡度和高程值差作为单次自由程计算终止的判定条件，综合考虑了巡视探测器的爬坡能力和越障能力。 [0025] 4、本发明可在步骤B中随意增加新的单次自由程计算终止判定条件，例如，考虑地形的粗糙程度超过某一阈值等。所以，本发明可以在平均自由程计算中考虑越障能力之外的其他移动性能指标。附图说明

[0026] 本发明共有附图15幅，其中：

[0027] 图1是某月面地形区域的星体地形数字高程图DEM。

[0028] 图2是5°度星体地形数字高程图DEM旋转示例。

[0029] 图3是10°度星体地形数字高程图DEM旋转示例。

[0030] 图4是20°度星体地形数字高程图DEM旋转示例。

[0031] 图5是30°度星体地形数字高程图DEM旋转示例。

[0032] 图6是45°度星体地形数字高程图DEM旋转示例。

[0033] 图7是90°度星体地形数字高程图DEM旋转示例。

[0034] 图8是180°度星体地形数字高程图DEM旋转示例。

[0035] 图9是315°度星体地形数字高程图DEM旋转示例。

[0036] 图10是沿前进方向割取的车体投影区域。

[0037] 图11是空间平面拟合获取坡度信息。

[0038] 图12是车体投影区域内最小高程值和最大高程值搜索范围确定。

[0039] 图13是315°旋转星体地形数字高程图DEM进行到3000次自由程仿真计算的结果。

[0040] 图14是每隔5°进行10000次行走的自由程统计结果曲线。

[0041] 图15是本发明的流程图。

具体实施方式

[0042] 下面结合技术方案和附图对本发明进行进一步说明。本实施例的巡视探测器的尺寸长为1.5m、宽b＝1.0m，坡度θ限制为20°，越障能力(垂直方向)h为20cm。

[0043] A、巡视探测器器定位点和行驶方向的选择

[0044] 第一步，以月球表面阿波罗15着陆区一块60*60m2的地形数据为例，选择每像素代表的空间距离为60mm，可建立图1所示1000*1000分辨率的星体地形数字高程图DEM，该区域最小高程值Zmin为-1.7m，最大高程值Zmax为1.45m，对应星体地形数字高程图DEM中0-255的灰度级，即每灰度级代表12.35mm的地面高度。

[0045] 第二步，星体地形数字高程图DEM的旋转间隔在平均自由程计算过程中可随意调整，间隔越小，平均自由程计算越精确，本实例最终选择为5°间隔，进行了72次旋转。图2-9所示为挑选出的5°、10°、20°、30°、45°、90°、180°、315°星体地形数字高程图DEM旋转示例。

[0046] 第三步，固定垂直向上为行驶方向，在每幅星体地形数字高程图DEM中随机选择起始点作为巡视探测器起步的中心点，按照车体尺寸长×宽＝1.5m×1.0m在星体地形数字高程图DEM中割取中心点周围车体投影范围内的月面高程数据。如图10所示。 [0047] B、巡视探测器车体投影区域可通过性判定

[0048] 第一步，利用最小二乘法对车体投影范围内的月面高程数据进行空间平面拟合，如图11所示，得到的空间直线方程为z＝ax+by+c，然后根据空间平面参数获取该投影区域的坡度信息，坡度巡视探测器的爬坡能力为20°，若计算得到的坡度θ大于20°即表明车体投影区域是不可通过的。

[0049] 第二步，在图12所示车宽×20/tan(20°)的区域内，搜索最小高程值和最大高程值，若二者之差大于巡视探测器越障能力限定的20cm，即判定车体投影区域是不可通过的。 [0050] 如果计算得到的坡度值和最大、最小高程值之差都在巡视探测器能实现的范围之内，则判定车体投影区域是可通过的。

[0051] C、平均自由程计算

[0052] 在仿真过程中，将以5°为间隔旋转的72幅星体地形数字高程图DEM分别进行10000次行走，以直行遇到不可通过处为终点，获取每次能够行驶的最长直线距离，将72*10000次计算的结果进行求和，然后再求平均值，即可获得最终的巡视探测器在该地形区域内的平均自由程。例如，图13所示为在315°旋转的星体地形数字高程图DEM中进行到3000次自由程计算的结果，图中黑色线为车体沿垂直向上方向走过的轨迹。图14为各方向上平均自由程的计算结果曲线，加和平均后可获得所选择巡视探测器在该地形区域内的平均自由程为9.23m。

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