基于融合伽马变换全卷积神经网络的火星地貌分割方法

为了让火星巡视器在有限的寿命内能获得更多的科学产出,需要提高巡视器在火星表面的自主通过能力,而火星表面地貌类型是评估巡视器可通过性的重要信息。因此,提出了融合伽马变换的全卷积神经网络(FCN)火星表面地貌分割算法。首先,考虑对巡视器通过性的影响,确认地貌分类的类型,基于好奇号拍摄的火星地表图像Mars32K数据库,构建地貌分割数据集;其次,使用自适应伽马变换(AGT)对灰度单一的火星图像进行预处理,减弱了光照等因素干扰;最后,利用数据集训练一个FCN,以实现对火星表面地貌的分割预测。仿真结果表明:网络测试准确率达到83.03%,地形分割预测结果可靠,验证了方法的可行性。     

一种深空探测巡视器多相机目标交接新方法

深空探测巡视器多相机间的目标交接是支持探测巡视器接近科学目标、部署仪器进行就位探测的一项关键技术。文章提出了一种基于尺度不变特征转换(Scale Invariant FeatureTransform,SIFT)匹配和光束法平差的多相机目标交接新方法,实现了多相机间目标的自动化高精度交接。利用勇气号火星巡视器相机获取的立体影像进行测试,与传统方法相比,可以大幅度提高交接精度,满足布设就位探测仪器的要求。     

月面巡视器的任务层路径规划

使用巡视器对月球表面进行巡视探测是一种高效率、低成本的月球探测方法。路径规划作为巡视器的一项重要技术,通常把它作为导航系统的一部分,只考虑地形通过性的问题。实际上除了地形通过性,还有很多因素对路径选择起到决定性的作用。针对月面巡视器,在大范围区域综合考虑地形、能源、热控、通信等全局因素,给出了一种新的路径规划方法——实时贪婪（Realtime Greedy,RG）算法。运用该算法得到了任务层路径,为巡视器的导航系统提供路标点,并为巡视器的动作安排提供了依据。     

利用着陆器立体视觉对月面巡视探测器定位

在月面巡视探测器漫游过程中,需要测量月面巡视探测器的位置和姿态信息,以使巡视探测器行驶在规划好的路径上,并确保其安全。定位系统可以采取多种方式。在文章中,利用着陆器立体视觉系统对月面巡视探测器定位方法进行了研究,它采用立体视觉测量技术以及彩色图像分割的方法,进行跟踪测量月面巡视探测器位姿信息,能够对惯导系统加里程计的定位方法进行修正,减小月面巡视探测器的计算工作量。在定位方法的研究中,采用彩色图像分割方法对月面巡视探测器进行识别,能够适应变光照条件,并且运算速度快,达到实时图像伺服控制的目的。通过月面巡视探测器上制作特征点及采用基于四边形约束的特征点匹配方法,提高了图像匹配概率。通过卡尔曼滤波技术,能够满足任意时刻的月面巡视探测器定位要求。     

国外深空探测器着陆缓冲系统的特点和应用

主要介绍国外月球和行星探测器的着陆缓冲系统的特点与应用。着陆缓冲系统的基本类型包括软着陆机构、气囊缓冲装置和空中悬吊机结构。其中：软着陆机构由着陆架（腿）、缓冲器和展开锁定机构组成,具有质量较大,结构较简单、可靠的特点,在美国“勘测者”、“阿波罗”、“梦神”和苏联月球号等着陆器中得到了应用;气囊缓冲装置由气体发生器、气囊组件,以及缩回与展开机构组成,具有质量小、包装容积小和着陆稳定性好的特点,在美国“火星探路者”、“火星探测巡视器”,苏联早期月球号着陆器,以及欧洲“贝皮一哥伦布”水星探测器中得到了应用;空中悬吊机结构由空中悬吊机及其推进系统等组成,具有着陆速度低、冲击小和安全可靠的特点,在美国“火星科学实验室”的好奇心号巡视器上得到了应用。     

利用搜索法对嫦娥三号着陆器和巡视器定位

针对嫦娥三号巡视器相对定位时同波束甚长基线干涉测量（VLBI）差分相位时延存在纳秒量级模糊度的问题,提出利用搜索法对巡视器和着陆器的相对位置进行确定,并将该方法应用于着陆器的绝对位置的确定。首先介绍对嫦娥三号着陆器和巡视器测量的模式以及定位的原理,然后进行相应定位计算。利用该方法对着陆器定位结果与统计定位法结果比较,位置差100m左右,与月球勘测轨道飞行器（LRO）航拍定位结果差异在75m;该方法对巡视器在各停泊点的相对定位结果,与统计定位结果比较,位置差小于1m。     

基于器间测量的火星进入过程实时高精度导航

精确着陆于火星特定目标区域是未来火星着陆探测的关键技术。面向火星精确着陆需求,研究火星进入过程中基于器间测量的实时高精度导航方法具有重要意义。该方法利用火星已有的环绕探测器,在着陆器接近进入过程中,通过无线电链路获得量测信息,结合器上滤波算法实时估计着陆器的位置与速度状态。仿真结果显示该导航方法可有效提高进入过程中的导航精度。     

巡视探测任务中复杂地形信息感知与场景建模

在月面探测过程中,针对月表多不规则地形障碍物(月表陨石凹坑、坡、月岩等)会影响巡视器移动性能以及地面观测者缺少直观的三维的月表环境信息,影响最终决策的问题。文章采用深度(RGB-D)相机获取原始数据,基于三维点云数据进行滤波消噪等处理;再结合机器人越障能力极限与改进的随机采样一致性(Random Sample Consensus,RANSAC)算法,获取其自适应基准平面作为可通行区域;最后使用密度聚类算法(Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise,DBSCAN)提取局部地形障碍物信息,结合基准面进行快速三维场景重建,为地面观测提供直观快速的三维巡视器周围环境模型,并通过模拟月面地形环境试验进行验证。试验结果表明,本文所使用的算法可以有效地获取地形障碍物的空间坐标信息,并进行快速场景重建,大幅度地提高时间效率。可为月面探测任务中,巡视器自主避障以及为地面观测者提供三维视角等提供参考。     

我国首次自主火星探测任务中环绕器的研制与实践

火星探测是国际深空探测的重点和热点,2020年,中国、美国、阿联酋的火星探测器相继发射升空。我国的首颗自主火星探测器——"天问一号"由环绕器、着陆巡视器组成,将一步实现火星的"绕、着、巡"。其中,火星环绕器作为探测器的核心组成部分,承载着地火转移、制动捕获、离轨分离、中继通信以及环火科学探测等重要任务。本文简要回顾了我国火星环绕器的研制历程,介绍了环绕器的基本方案,分析了研制过程中的技术难点和关键技术攻关情况,指出了未来技术发展方向,提出了构建通用化环绕平台的构想,为后期的深空探测任务提供参考。     

基于AdaBoost的场景车牌号精确定位研究

场景文本检测与识别对于自然场景的理解、图像中物体信息的获取以及自动驾驶与导航等研究有非常重要的作用。其中场景车牌号识别属于场景文本检测与识别的一个分支,在自然场景中,由于背景复杂、光线暗、模糊等原因,往往造成检测结果的不准确。文本识别的第一步是文本区域的定位,本研究先对图像使用水平滤波器过滤掉大部分背景,然后使用AdaBoost训练haar-like分类器,粗略定位车牌位置,对目标区域进行二值化处理,获得车牌上下边界的点集合,去掉噪点后进行拟合,获得车牌上下边界。对目标区域进行垂直方向投影,根据累加值判断车牌左右边界,从而实现车牌号的精定位。通过实验测试,该算法的准确率和检测效率高。     

一种主动悬架式火星车稳定裕度优化控制策略

针对火星车在非结构化环境下行驶存在的稳定性不足而导致倾覆的风险，提出针对一种六轮主动悬架式火星车的稳定裕度优化控制方法。首先，考虑了火星车悬架机构调整过程中车轮与接触地面滑移和侧倾等运动关系，建立和完善了六轮主动悬架式火星车行驶的运动学模型。然后，以火星车夹角调整机构角度为变量，推导火星车在非结构环境下的稳定裕度模型。之后，使用内点法求解火星车稳定裕度的最优解，并获得期望的夹角调整机构关节角度。在此基础上，对夹角调整机构的关节角度进行规划和控制，实现火星车悬架机构构型的调整，从而提高火星车在非结构化环境下行驶的稳定裕度。最后，对火星车稳定裕度优化控制策略的有效性进行仿真验证，结果表明，所提出的控制方法可有效提高火星车在非结构化环境下行驶的稳定裕度。     

一种三元结构的火星采样返回任务方案分析

介绍了目前国外提出的一种三元结构的火星采样返回任务方案,整个方案分3次发射,分别发射漫游车、着陆器和轨道器,每次发射间隔为4年,最终目的是将火星样品带回地球。该方案的优势在于,通过3次发射分别完成漫游车巡视勘察、着陆器现场探测、轨道器数据中继和在轨探测,最终综合完成火星采样返回,能够极大地缓解项目进度和资金压力,充分利用每次发射窗口分步骤完成探测任务。文章重点对方案涉及的关键技术进行了分析,包括样品获取与封装、行星保护、精准着陆、漫游车的危险规避能力和移动性、火星上升器、交会与样品捕获、地球再入器技术等;对方案的前景和优势进行了探讨,并给出几点启示,如精准着陆或成为今后行星探测着陆方式的新趋势,火星采样返回任务将是人类火星探测的里程碑,今后的深空探测任务趋向国际合作模式等。     

仿尺蠖型火星车设计与验证

针对传统被动悬架式火星车在火星复杂地形运动中可能存在的问题，设计了仿尺蠖型火星车，包括沉陷脱困设计、爬坡设计、防托底设计和抬轮设计；识别了仿尺蠖型火星车移动系统的关键参数，计算得到不同火星车抬升高度的关键参数值和一个尺蠖运动周期的位移值；计算结果表明仿尺蠖型火星车可以解决被动悬架式火星车的上述问题。对所设计的仿尺蠖型火星车开展了地面试验和飞行试验验证，地面试验验证了车轮沉陷脱困能力、越障能力和爬坡能力；作为仿尺蠖型火星车应用的实例，“祝融号”火星车成功经历了飞行试验，它在火星表面的顺利运行表明仿尺蠖型火星车设计措施有效。     

行星探测车连杆式差动平衡机构设计及运动学分析

根据行星探测车移动系统连接车体与左右两侧悬架的支撑机构的设计要求,提出一种对称的空间连杆式差动平衡机构,合理的空间布置、较大的摇臂摆角范围和良好的线平均性使其在移动系统中的运用取得较好效果。首先分析了机构的输入输出关系,给出车体与摇臂位姿关系的表达式。然后运用旋转变换的方法建立该差动平衡机构车体与左右摇臂的俯仰角位移方程。再运用Pro/Mechanism仿真校验理论模型的正确性,并运用校验后的理论模型分析部分参数对该差动平衡机构摇臂摆角范围和线性均化特性的影响,求解球铰连杆上下球面副相对主平面和在主平面内的转角范围,为机构的结构设计和装配提供了依据。最后展示了该机构在6轮导杆联动式悬架上的应用。     

An innovative high accuracy autonomous navigation method for the Mars rovers

Autonomous navigation is an important function for a Mars rover to fulfill missions successfully. It is a critical technique to overcome the limitations of ground tracking and control traditionally used. This paper proposes an innovative method based on SINS (Strapdown Inertial Navigation System) with the aid of star sensors to accurately determine the rover?s position and attitude. This method consists of two parts: the initial alignment and navigation. The alignment consists of a coarse position and attitude initial alignment approach and fine initial alignment approach. The coarse one is used to determine approximate position and attitude for the rover. This is followed by fine alignment to tune the approximate solution to accurate one. Upon the completion of initial alignment, the system can be used to provide real-time navigation solutions for the rover. An autonomous navigation algorithm is proposed to estimate and compensate the accumulated errors of SINS in real time. High accuracy attitude information from star sensor is used to correct errors in SINS. Simulation results demonstrate that the proposed methods can achieve a high precision autonomous navigation for Mars rovers.     

Geologic field work on Mars: Distance and time issues during surface exploration

Based on field experience at Analogue stations MDRS and FMARS and additional theoretical computations, motorized field work traverses were planned for various surface feature types on Mars, with emphasis on their horizontal dimension, maximal slope angle and cumulative vertical surface undulation or roughness. The aim was to explore the possibilities and characteristics of field work for different terrain types. Those terrain types are reviewed in the present study that have already been analyzed based on remote sensing data, and that are described in the scientific literature.Dunes, gullies, slope streaks, cross sections of valley networks and of lava channels might be analyzed during only one extra vehicular activity (EVA, e.g., pedestrian and vehicular field work) with the objective of a first in-situ exploration along an optimized traverse, in order to provide the most valuable scientific information on their general characteristics and origin. Smaller tectonic faults, lava flows, lobate debris aprons and outcrops of polar layered deposits can be analyzed only by several EVAs together. Analysis of large landslides, calderas and interior layered deposits produce even more difficulties on Mars, and require specialized technology. In cases where several EVAs are necessary for detailed analysis along the best traverse, mobile pressurized vehicles (with pressurized cabin for astronauts without spacesuits) or other methods would be necessary.Many of the geologic structures that have been analyzed only with remotely sensed data could not be surveyed during one field campaign, and in some cases because of high slope angle and large cumulative topographic undulation, their in-situ exploration could not be accomplished with the technological capabilities available, and in-situ analysis requires more advanced technology than long distance rovers can provide now. Hence, the prior location of important sites and the usage of robotic help will be of high importance.     

地面力学在火星壤力学参数估计研究中的 进展与展望

掌握火星土壤的力学参数是保障火星车顺利完成巡视探测的关键。通过对已成功开展的火星巡视探测任务进行汇总，探讨了复杂火星地貌对火星车移动性能的影响，分析了基于地面力学理论的火星土壤力学参数估计方法，包括：基于车轮的火星壤在轨力学参数估计方法和基于轮壤力学模型的力学参数辨识方法。最后，对未来关于地面力学在星壤力学参数评估进行了探讨。     

从地球到日-火系平动点轨道的转移

平动点轨道特殊的空间位置及动力学特征,使其在深空探测中具有重要的应用。以日-火系平动点轨道(Lissajous与Halo轨道)任务为目标,结合平动点轨道的不变流形理论,研究了小推力转移问题。首先给出了圆型限制性三体动力学模型下平动点附近不变流形(稳定和不稳定流形)高阶分析解以及相应的计算实例。接着以流形分析解为基础,建立了初始小推力轨道优化模型,并利用改进的协作进化算法求解初始小推力轨道。最后将初始轨道离散,采用多点打靶法将最优控制问题转化为参数优化问题,并用序列二次规划方法(SQP)求解。仿真结果证明轨道设计方法的有效性。     

多视角多尺度陨石坑特征检测识别方法

针对序列图像间视角尺度变化大带来的特征无法检测和识别效率低等问题，提出了多视角多尺度陨石坑特征检测识别方法。基于明暗区域信息和形态学处理实现陨石坑图像特征边缘粗提取，利用快速傅里叶变换计算模板与图像特征的匹配度，从而实现图像特征所在区域粗定位。在此基础上，通过引入惯性测量信息计算图像间重叠面积，更新模板形状，并预测搜索区域，解决了序列图像间视角尺度变换及信息冗余带来的特征无法检测和识别效率低的困难，最终在单一陨石坑区域内实现其精细检测。     

基于角锥体原理的月面巡视探测器定位方法

为了获取月面巡视探测器在月球表面的相对位置信息,提出了一种基于角锥体原理的相对定位方法。此方法无需初始值,仅利用巡视探测器获取的包含着陆器目标的影像,就可以实现巡视探测器高精度定位。通过嫦娥二期工程试验,验证了该算法的有效性,可为月面巡视探测器开展科学考察任务所应用。