Modeling and experimental validation of sawing based lander anchoring and sampling methods for asteroid exploration

This paper presents a novel lander anchoring system based on sawing method for asteroid exploration. The system is composed of three robotic arms, three cutting discs, and a control system. The discs mounted at the end of the arms are able to penetrate into the rock surface of asteroids. After the discs cut into the rock surface, the self-locking function of the arms provides forces to fix the lander on the surface. Modeling, trajectory planning, simulations, mechanism design, and prototype fabrication of the anchoring system are discussed, respectively. The performances of the system are tested on different kinds of rocks, at different sawing angles, locations, and speeds. Results show that the system can cut 15?mm deep into granite rock in 180?s at sawing angle of 60°, with the average power of 58.41?W, and the “weight on bit” (WOB) of 8.637?N. The 7.8?kg anchoring system is capable of providing omni-directional anchoring forces, at least 225?N normal and 157?N tangent to the surface of the rock. The system has the advantages of low-weight, low energy consumption and balance forces, high anchoring efficiency and reliability, and could enable the lander to move and sample or assist astronauts and robots in walking and sampling on asteroids.     

用于空间探测飞行时间质谱仪的真空系统和取样系统设计

文章介绍了可用于空间探测飞行时间质谱仪的真空系统和取样系统设计,并建立了该TOFMS原理样机的地面试验系统。为适应空间探测和地面试验2种不同工作模式,设计了2套不同的真空系统。根据文章建立的气体样本进样的理论分析模型进行理论分析计算,并通过地面适应性试验测定了质谱室的真空度、空气的Voltage-Amu谱图、Kr样本Voltage-Amu谱图及进样时间。试验结果表明:真空系统和取样系统设计合理,能够满足试验需求;理论分析模型正确,能够用于指导试验。     

基于POD曲线的预警机雷达检飞概率模型

针对预警机雷达检飞试验中距离取样间隔及检飞航线边界条件的确定问题,以保证发现概率(POD)曲线的覆盖率与精确性为目标,提出基于POD曲线的预警机雷达检飞概率模型.首先,根据POD曲线的覆盖率和精确性要求确定检飞试验拟合曲线所需的采样点数.然后,根据POD曲线的经验分布函数建立检飞试验中最小探测距离和最大探测距离的计算方法,并由此确定检飞航线上距离取样间隔的长度.最后,根据发现概率的统计特性得到距离取样间隔内采样点数以及航次数等试验参数,为雷达检飞试验设计与预警性能评定提供定量依据.      

基于涡系相交不稳定性的飞机尾流控制方法

在飞机飞行的过程中尾涡会伴随着升力产生,威胁后机的飞行安全.在简化机翼模型上添加扰流片,通过一个矩形翼以引入一个与主翼尾涡大小不同、方向相反的小涡,构建尾流自消散四涡系统,以期诱发尾涡的Rayleigh-Ludwig相交不稳定性.通过改变扰流片的大小形状,调整模型的攻角和拖曳速度,采用粒子图像速度场仪测量系统定量研究在低雷诺数下单主翼尾涡发展特性以及双涡相互作用特性.研究表明:在未添加扰流片时,尾涡环量在45个翼展内相对于初始环量基本保持不变;在添加扰流片的情况下尾涡的环量衰减可以达到35%~55%,而未添加的基本翼型的尾涡的环量则几乎保持不变,这说明添加适当的扰流片能诱发尾涡的Rayleigh-Ludwig相交不稳定性,加速尾涡的消散,当小涡和主涡的初始环量比为-0.489、初始距离比为0.5时,45个翼展范围内,尾涡环量衰减55.9%.本文系统性的实验结果可以为低尾流机翼的设计提供参考依据.      

用于深层月壤采样返回的软质取心袋的设计与测试验证

月壤钻探采样技术尤其无人自主采样返回技术是我国探月工程的关键技术之一。文章提出了一种适于深层月壤钻探采样的取心机构,能够实现对月壤样品的原位包裹,以保持样品的层理特性信息。该机构选用Kevlar作为包裹样品用的软质取心袋材料,采用满足要求的编织工艺织造出致密薄壁的软袋,并对软袋进行了翻转抽拉力、力学性能及涂层测试分析等测试试验,验证其可满足深层月壤钻探采样任务的需求。     

小天体软着陆中的地面特征区域提取与跟踪算法

考虑到自主导航过程中的特征区域检测与跟踪问题,提出了一种新的跟踪算法。该算法是基于DIMES框架。首先,对在软着陆过程中拍摄的行星表面图像进行亮度均衡化,对处理后的图像进行二值化;然后,对二值化特征区域进行模板匹配找出高度相关位置点;最后,根据特征区域之间的几何关系确定特征区域的搜索范围,再分别提取这些相关点所代表区域的特征向量,并且与模板的特征向量进行相似性分析从而找到相似性最大的位置点。通过两组小行星表面图片进行分析验证得到了较好的效果。     

基于光照模糊相似融合不变矩的航天器目标识别

针对航天器目标识别中现有的光照变化和图像模糊条件下几何仿射不变矩识别不稳健问题,根据灰度光照模型,结合图像模糊和不变矩的基本理论,提出了一种光照模糊不变量,与几何仿射不变矩进行融合,构建出一种新的光照模糊相似融合（CIBA）不变矩,并从理论上证明了光照、模糊和相似变换（平移、缩放和旋转）不变性。对3种不同的航天器目标的识别实验表明,光照模糊相似融合不变矩在最小距离分类器中的识别准确率达到了86.37%,比几何仿射不变矩提高了94.00%,比具有光照不变性的几何仿射不变矩提高了24.54%,有效地解决了对不同位姿、不同光照模糊条件下的航天器目标识别问题,提高了基于矩的目标识别鲁棒性。     

基于视觉模型和图像特征的遥感图像压缩

遥感图像具有纹理复杂、边缘丰富的特点,通常难以实现高压缩比.统计了图像经过小波变换后在不同方向、不同级别子频带的能量分布.然后基于人类视觉系统(HVS)模型中的对比敏感度函数(CSF)和遥感图像的能量分布特征,提出一种不同频带小波系数的变步长量化方法,并把该方法应用于嵌入式小波图像编码器.实验结果表明,与不采用心理视觉量化的压缩方法相比,在相同压缩比下,峰值信噪比略为降低,但恢复图像的主观质量有一定程度的改善.     

CMOS星敏感器图像驱动及实时星点定位算法

利用CMOS图像传感器技术的低功耗和开发简单等优点,设计了新型CMOS星敏感器的图像采集驱动电路.该电路设计以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,配以静态存储器和并口通讯功能,实现了图像的采集、存储和输出.同时根据4连通域图像分割的原理,在FPGA内部设计了一个数字电路模块,以实现该星敏感器的实时星点定位功能.该模块由于采用了流水线结构,可以和图像采集同步完成星点质心定位算法,减少了向星敏感器数据处理单元中的精简指令集计算机(RISC)的数据传输量和RISC进行星图跟踪和识别的工作量,提高了星敏感器的总体工作性能.对比软件处理结果,对星敏感器的图像采集和质心算法硬件电路进行了验证.     

一种改进的数字图像置乱算法

图像置乱技术以有效地保护数字图像的内容为目的,结合常见的几种置乱方法,提出了一种新的图像置乱算法-GEMMER算法。该算法首先将水印图像进行小波分层,得到一个环形向量,然后经过旋转置乱后,嵌入到宿主图像中。经实验分析证明,该方法有良好的周期性,经旋转置乱后的图像能量分布均匀,使水印信息的保密性有了很大提高。