基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及航空航天技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地，涉及一種基于蒙特卡羅算法的高程 圖安全區(qū)域搜索方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 安全區(qū)域搜素是一種重要的搜索方法，在航空航天中廣泛應(yīng)用，特別是在地外天 體的探測中更是起到了至關(guān)重要的作用，發(fā)展成為地外天體探測抽樣返回和載人登陸探測 器返回中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。但是安全區(qū)域搜索很難實(shí)現(xiàn)全局的最優(yōu)，在很大程度上確定的 安全區(qū)域精度不高、花費(fèi)的時(shí)間較長，增大了著陸的風(fēng)險(xiǎn)。
[0003] 為解決這些不足，許多的學(xué)者提出了各種不同的安全區(qū)域搜索方法，目前已有的 搜索方法，如:螺旋式搜索和發(fā)散式搜索。螺旋式搜索方法的缺點(diǎn)在于只找到了安全著陸區(qū) 域，并沒有找到全局最優(yōu)的安全區(qū)域，而且花費(fèi)的時(shí)間較長，不利于探測器節(jié)省燃料;發(fā)散 式搜索的缺點(diǎn)在于搜索沒有覆蓋整個(gè)區(qū)域，容易在矩形的兩條對角線上造成檢測區(qū)域遺 漏。
[0004] 因此，本發(fā)明提供一種基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索方法及系統(tǒng)解決 上述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜 索方法及系統(tǒng)，以解決探測器傳統(tǒng)的搜索方法耗時(shí)長、遺漏等問題。
[0006] 本發(fā)明提供一種基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索方法，包括：
[0007] 對采集的目標(biāo)天體的地表高程圖進(jìn)行障礙閥值分割，獲取所述地表等高圖的障礙 閥值分割圖，其中，所述地表高程圖采用雙峰法和最大類間方差法進(jìn)行分割；
[0008] 對所述地表高程圖進(jìn)行二值化等高線數(shù)值仿真，獲取所述地表高程圖的等高線 圖；
[0009] 采用蒙特卡羅算法對獲取的地表高程圖的障礙閥值分割圖和地表高程圖的等高 線圖進(jìn)行仿真，獲取探測器安全著陸預(yù)選區(qū)域；
[0010] 將所述地表高程圖轉(zhuǎn)化為二維二值矩陣，利用蒙特卡羅算法對隨機(jī)提取的所述二 維二值矩陣的矩陣元素進(jìn)行平面擬合，獲取擬合平面斜率；
[0011] 所述擬合平面斜率的最小值所對應(yīng)的區(qū)域?yàn)樘綔y器安全著陸區(qū)域，所對應(yīng)的中心 點(diǎn)為探測器安全著陸點(diǎn)；
[0012] 根據(jù)所述探測器安全著陸預(yù)選區(qū)域、所述擬合平面斜率獲取的探測器安全著陸區(qū) 域以及探測器安全著陸的條件，獲取探測器安全著陸的最優(yōu)區(qū)域。
[0013] 本發(fā)明還提供一種基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索系統(tǒng)，包括：
[0014] 障礙閥值分割圖獲取單元，用于對采集的目標(biāo)天體的地表高程圖進(jìn)行障礙閥值分 害J，獲取所述地表等高圖的障礙閥值分割圖，其中，所述地表高程圖采用雙峰法和最大類間 方差法進(jìn)行分割；
[0015] 等高線圖獲取單元，用于對所述地表高程圖進(jìn)行二值化等高線數(shù)值仿真，獲取所 述地表高程圖的等高線圖；
[0016] 探測器安全著陸預(yù)選區(qū)域獲取單元，用于采用蒙特卡羅算法對獲取的地表等高圖 的障礙閥值分割圖和地表高程圖的等高線圖進(jìn)行仿真，獲取探測器安全著陸預(yù)選區(qū)域；
[0017] 擬合平面斜率獲取單元，用于將所述地表高程圖轉(zhuǎn)化為二維二值矩陣，利用蒙特 卡羅算法對隨機(jī)提取的所述二維二值矩陣的矩陣元素進(jìn)行平面擬合，獲取擬合平面斜率；
[0018] 探測器安全著陸區(qū)域確定單元，用于所述擬合平面斜率的最小值所對應(yīng)的區(qū)域?yàn)?探測器安全著陸區(qū)域，所對應(yīng)的中心點(diǎn)為探測器安全著陸點(diǎn)；
[0019] 探測器安全著陸的最優(yōu)區(qū)域獲取單元，用于根據(jù)所述探測器安全著陸預(yù)選區(qū)域、 所述擬合平面斜率獲取的探測器安全著陸區(qū)域以及探測器安全著陸的條件，獲取探測器安 全著陸的最優(yōu)區(qū)域。
[0020] 從上面的技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索 方法及系統(tǒng)，利用蒙特卡羅算法，在有限個(gè)約束條件下的高程圖全局最優(yōu)安全區(qū)域搜索方 法，以此確定深空探測器的最佳著落區(qū)域。
[0021] 為了實(shí)現(xiàn)上述以及相關(guān)目的，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面包括后面將詳細(xì)說明并在 權(quán)利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細(xì)說明了本發(fā)明的某些示例性方面。 然而，這些方面指示的僅僅是可使用本發(fā)明的原理的各種方式中的一些方式。此外，本發(fā)明 旨在包括所有這些方面以及它們的等同物。
【附圖說明】
[0022] 通過參考以下結(jié)合附圖的說明及權(quán)利要求書的內(nèi)容，并且隨著對本發(fā)明的更全面 理解，本發(fā)明的其它目的及結(jié)果將更加明白及易于理解。在附圖中：
[0023] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索方法流程示 意圖；
[0024] 圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框 圖。
[0025 ]在所有附圖中相同的標(biāo)號指示相似或相應(yīng)的特征或功能。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 在下面的描述中，出于說明的目的，為了提供對一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的全面理解，闡 述了許多具體細(xì)節(jié)。然而，很明顯，也可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)這些實(shí)施例。
[0027] 針對前述提出的現(xiàn)有的探測技術(shù)確定的安全區(qū)域精度不高、話費(fèi)的時(shí)間較長等問 題，本發(fā)明提出了一種基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索方法及系統(tǒng)，利用蒙特卡 羅算法確定深空探測器的最佳著落區(qū)域。
[0028] 以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0029]為了說明本發(fā)明提供的基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索方法，圖1示出 了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索方法流程。
[0030]如圖1所示，本發(fā)明提供的基于蒙特卡羅算法的高程圖安全區(qū)域搜索方法包括： S110:對采集的目標(biāo)天體的地表高程圖進(jìn)行障礙閥值分割，獲取所述地表等高圖的障礙閥 值分割圖，其中，所述地表高程圖采用雙峰法和最大類間方差法進(jìn)行分割；
[0031] S120:對所述地表高程圖進(jìn)行二值化等高線數(shù)值仿真，獲取所述地表高程圖的等 尚線圖；
[0032] S130:采用蒙特卡羅算法對獲取的地表高程圖的障礙閥值分割圖和地表高程圖的 等高線圖進(jìn)行仿真，獲取探測器安全著陸預(yù)選區(qū)域；
[0033] S140:將所述地表高程圖轉(zhuǎn)化為二維二值矩陣，利用蒙特卡羅算法對隨機(jī)提取的 所述二維二值矩陣的矩陣元素進(jìn)行平面擬合，獲取擬合平面斜率；
[0034] S150:所述擬合平面斜率的最小值所對應(yīng)的區(qū)域?yàn)樘綔y器安全著陸區(qū)域，所對應(yīng) 的中心點(diǎn)為探測器安全著陸點(diǎn)；
[0035] S160:根據(jù)所述探測器安全著陸預(yù)選區(qū)域、所述擬合平面斜率獲取的探測器安全 著陸區(qū)域以及探測器安全著陸的條件，獲取探測器安全著陸的最優(yōu)區(qū)域。
[0036]具體地，上述步驟S140中，不重復(fù)的隨機(jī)產(chǎn)生像素矩陣元素 i、j形成實(shí)數(shù)對(i，j); 以矩陣中i、j為下表的元素 a(i，j)為中心點(diǎn)，提取a(i，j)為幾何中心的周圍100*100的矩陣 元素。
[0037] 利用蒙特卡羅算法內(nèi)置regress函數(shù)對提取的所述矩陣元素進(jìn)行平面擬合，獲取 擬合平面的斜率，并保存擬合平面的斜率;保存的平面擬合斜率最小值所對應(yīng)的區(qū)域即為 安全區(qū)域，對應(yīng)的中心點(diǎn)即為安全著陸點(diǎn)。
[0038] 其中，如果擬合平面斜率獲取的探測器安全著陸區(qū)域在探測器安全著陸預(yù)選區(qū)域 內(nèi)，則擬合平面斜率獲取的探測器安全著陸區(qū)域?yàn)樘綔y器安全著陸的最優(yōu)區(qū)域;如果擬合 平面斜率獲取的探測器安全著陸區(qū)域不在探測器安全著陸預(yù)選區(qū)域內(nèi)，則繼續(xù)隨機(jī)提取矩 陣元素直至獲取到探測器安全著陸的最優(yōu)區(qū)域。
[0039]也就是說，如果區(qū)域滿足安全著陸條件，則該區(qū)域?yàn)榘踩憛^(qū)域，為精確著落 點(diǎn)。如果區(qū)域不滿足安全著陸的條件，則繼續(xù)循環(huán)隨機(jī)獲取矩陣元素，直至獲取精確的著落 點(diǎn)。
[0040]其中，需要說明的是，探測器安全著陸的條件，著陸的坡角的值<8°、著陸的凸起 或凹起小于20cm以及著陸的最小平面的直徑小于3650mm;其中平面的坡角計(jì)算公式如下：
[0042] 其中，α為坡角，Z高為擬合平面最高點(diǎn)2軸數(shù)值，Z?為擬合平面最低點(diǎn)2軸數(shù)值，X高擬 合平面最高點(diǎn)X軸數(shù)值，X低擬合平面最低點(diǎn)X軸數(shù)值。
[0043] 在本發(fā)明的一個(gè)具體的實(shí)施例中，本發(fā)明提供的基于蒙特卡羅算法的高程圖安全 區(qū)域搜索方法包括：
[0044] (1)對探測器采集的目標(biāo)天體的地表高程圖進(jìn)行障礙閥值分割。
[0045] (2)對高程圖分別進(jìn)行雙峰法和最大類間方差法圖像分割。
[0046] (3)利用Matlab對地表高程圖進(jìn)行等高線數(shù)值仿真。
[0047] (4)將高程圖轉(zhuǎn)化為二維二值矩陣。
[0048] (5)不重復(fù)的隨機(jī)產(chǎn)生像素矩陣元素 i，j;形成實(shí)數(shù)對(i，j)。
[0049] (6)以矩陣中i，j為下表的元素 a(i，j)為中心點(diǎn)，提取a(i，j)為幾何中心的周圍 100*100的矩陣元素。
[0050] (7)利用Matlab內(nèi)置regress函數(shù)對提取的矩陣元素進(jìn)行平面擬合，保存擬合平面 的斜率。
[0051] (8)保存的平面擬合斜率最小值所對應(yīng)的區(qū)域即為安全區(qū)域，對應(yīng)的中心點(diǎn)即為 安全著陸點(diǎn)。如果區(qū)域滿足安全著陸條件，則該區(qū)域?yàn)榘踩憛^(qū)域，a(i，j)為精確著落 點(diǎn)。
[0052] (9)如果區(qū)域不滿足安全著陸的條件，則繼續(xù)循環(huán)(5)到(8)的步驟。
[0053] 以探測器在月球表面著陸的安全區(qū)域搜索進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過有限次的迭代得到安全 著陸點(diǎn)的坐標(biāo)為(434，139 )，安全區(qū)域平面擬合方程為：
[0054] Z = 94.7082+0.0402χ-0.1643y
[0055] 對精選的安全區(qū)域的坡角進(jìn)行計(jì)算，其過程如下：
[0057] 貝!Ja = arctanO·071406 = 0·0713rad = 4·0852°
[0058] 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，計(jì)算得到的安全區(qū)域的平面擬合的坡角為4.0852° <8°，則滿足 探測器安全著陸的要求，