一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，尤其涉及一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，屬于深空探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，通過(guò)提出安全因子的概念，并將之具體化后應(yīng)用在復(fù)雜地形安全度評(píng)估問(wèn)題中，為復(fù)雜地形著陸任務(wù)安全性的考察提供了一種量化方法，進(jìn)一步將評(píng)估結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分，得到復(fù)雜地形的安全度。通過(guò)對(duì)安全因子具體形式的調(diào)整，該方法可被廣泛應(yīng)用到各類行星著陸任務(wù)的前期任務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)以及任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，起到規(guī)避障礙、提高著陸性能、降低失敗風(fēng)險(xiǎn)等作用。
【專利說(shuō)明】
-種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，尤其設(shè)及一種基于安全因子的復(fù)雜地 形安全度評(píng)估方法，屬于深空探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 未來(lái)行星探測(cè)任務(wù)要求探測(cè)器著陸在具有科學(xué)價(jià)值的區(qū)域，運(yùn)樣的區(qū)域往往地形 復(fù)雜，對(duì)著陸精度及著陸安全性提出了極大的挑戰(zhàn)。為了解決運(yùn)一問(wèn)題，在任務(wù)的設(shè)計(jì)階段 W及任務(wù)的執(zhí)行階段，需要對(duì)目標(biāo)天體的候選著陸區(qū)進(jìn)行技術(shù)分析與評(píng)估，得到其中適宜 著陸的區(qū)域，為之后的著陸工作提供參考。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出若干綜合評(píng)估著陸區(qū)及 著陸點(diǎn)的方法，運(yùn)些方法大多內(nèi)容分散，形式各異。為了完善統(tǒng)一已有方法，需要提出一種 綜合考慮多種因素的指標(biāo)來(lái)滿足不同行星著陸任務(wù)的需求，對(duì)行星表面復(fù)雜地形的安全度 進(jìn)行合理量化，從而當(dāng)著陸對(duì)象或環(huán)境改變時(shí)，仍能較好完成對(duì)復(fù)雜地形安全度的評(píng)估工 作，分析得到著陸在不同地方的危險(xiǎn)性，提高任務(wù)的安全性與成功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，該方法通過(guò) 提出安全因子的概念，并將之應(yīng)用在復(fù)雜地形安全度評(píng)估問(wèn)題中，為復(fù)雜地形著陸任務(wù)安 全性的考察提供了一種量化方法，進(jìn)一步將評(píng)估結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分，得到復(fù)雜地形的安全 度。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0005] -種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟一、確定具體化的安全因子表達(dá)式。安全因子由若干因素指標(biāo)通過(guò)加權(quán)得到， 結(jié)合任務(wù)需求及探測(cè)目標(biāo)特點(diǎn)，選取需要進(jìn)行評(píng)估的因素指標(biāo)、采用的函數(shù)形式W及加權(quán) 方式，得到具體化的安全因子表達(dá)式。
[0007] 從安全角度出發(fā)，提出安全因子(Safety Index,簡(jiǎn)稱SI)的概念，將其作為一個(gè)普 適評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，用于對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行量化分析，其定義為
[0008] SI 竺 F(Jactx)r\，Jaclx)i.2..Jacior N)
[0009] 安全因子取值越小，該區(qū)域就越安全。安全因子中的因素指標(biāo)（factor 1， 化ctor2. . .factorN)主要包括:地形情況、著陸精度、著陸速度及姿態(tài)、燃耗、誤差及環(huán)境干 擾。每種因素指標(biāo)所采用的具體函數(shù)形式既可W是離散函數(shù)，也可W是在有限范圍內(nèi)變化 的連續(xù)函數(shù)。加權(quán)方式根據(jù)每種因素指標(biāo)對(duì)任務(wù)成敗的重要程度來(lái)決定，若認(rèn)為所選因素 對(duì)任務(wù)影響相近、不分上下，可對(duì)每部分因素指標(biāo)賦予相同權(quán)值;若某一項(xiàng)或某幾項(xiàng)因素對(duì) 任務(wù)成敗影響更大，則可通過(guò)加大該因素指標(biāo)的權(quán)值，增加該因素在分析結(jié)果中所占的比 重。
[0010] 考慮上述因素指標(biāo)、采用的函數(shù)形式和加權(quán)方式的情況下，得到一個(gè)具體化的安 全因子；
[0011] 步驟二、評(píng)估復(fù)雜地形安全度。根據(jù)步驟一得到的具體化的安全因子對(duì)網(wǎng)格化后 的復(fù)雜地形進(jìn)行量化評(píng)估;通過(guò)設(shè)置區(qū)間，將評(píng)估結(jié)果分級(jí)，得到復(fù)雜地形安全度。
[0012] 步驟一所述安全因子的因素指標(biāo)采用的函數(shù)形式為：S型函數(shù)、min-max標(biāo)準(zhǔn)化函 數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)或Ξ角函數(shù)；
[0013] 復(fù)雜地形安全度是對(duì)安全因子的取值進(jìn)行合理劃分的結(jié)果，表明了探測(cè)器著陸在 不同地方可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)性大小，安全度越高，其危險(xiǎn)性也就越小。在選擇劃分區(qū)間時(shí)，需 要結(jié)合安全因子的整體取值范圍W及各部分評(píng)估指標(biāo)的取值特點(diǎn)，盡可能將安全區(qū)域、危 險(xiǎn)區(qū)域W及介于其間的模糊區(qū)域劃分開，安全度的級(jí)別個(gè)數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，用 安全度來(lái)對(duì)復(fù)雜地形著陸任務(wù)的成功率進(jìn)行衡量，從而達(dá)到評(píng)估的目的，為之后的著陸過(guò) 程起到指導(dǎo)作用。
[0014] 有益效果
[0015] 本發(fā)明公開的一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，通過(guò)提出安全因子 的概念，并將之具體化后應(yīng)用在復(fù)雜地形安全度評(píng)估問(wèn)題中，為復(fù)雜地形著陸任務(wù)安全性 的考察提供了一種量化方法，進(jìn)一步將評(píng)估結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分，得到復(fù)雜地形的安全度。安 全度等級(jí)越高，表明該區(qū)域越適宜著陸；反之，安全度等級(jí)越低，著陸在該區(qū)域危險(xiǎn)性就越 高。通過(guò)對(duì)安全因子具體形式的調(diào)整，該方法可被廣泛應(yīng)用到各類行星著陸任務(wù)的前期任 務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)W及任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中，起到規(guī)避障礙、提高著陸性能、降低失敗風(fēng)險(xiǎn)等作用。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為本發(fā)明公開的一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法流程圖；
[0017] 圖2為慣性系下推力矢量的方向；
[0018] 圖3為仿真中進(jìn)行評(píng)估的復(fù)雜地形，其中(a)為Ξ維地形圖，（b)為地形俯視圖；
[0019] 圖4為S型函數(shù)變化曲線，其中（a)為地形情況指標(biāo)變化情況，（b)為著陸速度指標(biāo) 變化情況；
[0020] 圖5為評(píng)估過(guò)程及安全因子計(jì)算結(jié)果，其中（a)為地形情況指標(biāo)評(píng)估結(jié)果，（b)為著 陸速度指標(biāo)評(píng)估結(jié)果，（C)為著陸姿態(tài)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果，（d)為安全因子的計(jì)算結(jié)果；
[0021] 圖6為復(fù)雜地形安全度評(píng)估結(jié)果，其中（a)為安全因子等高線圖，（b)為復(fù)雜地形安 全度的計(jì)算結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了更好的說(shuō)明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)
【發(fā)明內(nèi)容】
做進(jìn)一步 說(shuō)明。
[0023] 不失一般性，本實(shí)例選用火星著陸過(guò)程進(jìn)行分析，在著陸點(diǎn)固連慣性系下采用最 優(yōu)控制制導(dǎo)，其制導(dǎo)律解析形式為
[0024]
(2)
[0025] 其中，a為控制加速度，Δν及Ar分別為探測(cè)器當(dāng)前速度/位置與預(yù)定著陸點(diǎn)處速 度/位置的差，tg。表示剩余著陸時(shí)間，g是當(dāng)?shù)刂亓铀俣?。加速度矢量a的方向即為主推力T 的方向。如圖2所示，推力T的方向與豎直方向Z軸的夾角^可由式(3)計(jì)算得到
[002W
(引
[0027] 圖3中，用于評(píng)估的復(fù)雜地形大小為2000m X 2000m。探測(cè)器初始位置ro為[-300,- 200，1700]m，初始速度v()為[18,20，-80]m/s。在理想條件下，探測(cè)器應(yīng)W零速度垂直降落在 行星表面，但在實(shí)際過(guò)程中，由于誤差與干擾的存在使得探測(cè)器的著陸速度與姿態(tài)均與預(yù) 定狀態(tài)有所偏差，為了真實(shí)模擬著陸過(guò)程中的環(huán)境不確定性與系統(tǒng)誤差，在仿真中加入5% 的執(zhí)行誤差及陣風(fēng)干擾。
[0028] 本實(shí)施例公開的一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，包括如下步驟：
[0029] 步驟一、確定具體化的安全因子表達(dá)式。安全因子由若干因素指標(biāo)通過(guò)加權(quán)得到， 結(jié)合任務(wù)需求及探測(cè)目標(biāo)特點(diǎn)，選取需要進(jìn)行評(píng)估的因素指標(biāo)、采用的函數(shù)形式W及加權(quán) 方式，得到具體化的安全因子表達(dá)式。
[0030] 需要注意的是，在具體化安全因子表達(dá)式的過(guò)程中，還需考慮不同目標(biāo)天體在探 測(cè)過(guò)程中的差異，具體表現(xiàn)在用時(shí)長(zhǎng)短及側(cè)重內(nèi)容上。小行星與曽星尺寸更小、形狀不規(guī) 貝1J，產(chǎn)生的引力小且分布不均，著陸在運(yùn)類天體上通常要經(jīng)歷更長(zhǎng)的時(shí)間，著陸速度也相對(duì) 更小。因此，探測(cè)器有充足的時(shí)間對(duì)行星表面進(jìn)行檢測(cè)與分析，通過(guò)星載計(jì)算機(jī)或接收地面 站的指令信息完成對(duì)復(fù)雜地形的評(píng)估。評(píng)估因素上，由于弱引力對(duì)探測(cè)器的束縛有限，過(guò)大 的著陸速度及傾斜的著陸姿態(tài)可能造成探測(cè)器在復(fù)雜地形中劇烈的彈跳甚至逃逸，同時(shí)外 界的擾動(dòng)對(duì)著陸性能的影響也更加明顯，運(yùn)些因素在評(píng)估過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮。相比之下，W 火星為代表的主要天體引力大且分布相對(duì)均勻，可容忍一定范圍內(nèi)的著陸速度與外界擾 動(dòng)，但其著陸過(guò)程相對(duì)更加快速，加上與地球通訊的時(shí)延問(wèn)題，只能在著陸前依靠星上自主 系統(tǒng)對(duì)有限范圍內(nèi)的復(fù)雜地形進(jìn)行簡(jiǎn)單快速的評(píng)估，因此要求安全因子形式簡(jiǎn)單便于計(jì) 算。
[0031] 在本實(shí)施例中，要求探測(cè)器在避開障礙物的同時(shí)，W盡可能小的速度垂直降落在 火星表面，故選取地形情況、著陸速度W及著陸姿態(tài)作為評(píng)估因素。為了直觀的判斷所給復(fù) 雜地形是否安全W及便于Ξ種因素指標(biāo)在組成安全因子時(shí)形式與取值統(tǒng)一，將每種因素指 標(biāo)的具體函數(shù)形式都設(shè)定為S型函數(shù)，進(jìn)而得到具體化的安全因子表達(dá)式
[00 創(chuàng)
（4)
[0033] 其中，cia = l，2,3)為正常數(shù)，R，vfz，口e分別為安全半徑(指探測(cè)器著陸點(diǎn)與最近 障礙物之間的距離）、豎直速度分量W及推力方向與豎直方向的夾角，D，Vfz"ax，口 分別為 它們的臨界值。此處認(rèn)為地形情況、著陸速度W及著陸姿態(tài)對(duì)于任務(wù)的成敗影響相當(dāng)，權(quán)重 均取為1。
[0034] S型函數(shù)的計(jì)算結(jié)果可W分為Ξ類，即大于臨界值、小于臨界值及在臨界值附近。 可W看到，式(4)中第一部分的形式與后兩部分略有差別，運(yùn)是由于地形情況指標(biāo)中臨界值 D是下邊界，著陸速度指標(biāo)與著陸姿態(tài)指標(biāo)的臨界值Vfzmax，吟tmax是上邊界。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整具 體形式，可W保證地形情況、著陸速度W及著陸姿態(tài)Ξ部分指標(biāo)都是值越小，區(qū)域越安全。 W地形情況為例，假設(shè)安全半徑臨界值D = 50m，目標(biāo)著陸點(diǎn)的安全半徑R在Om到100m之間變 化，該部分指標(biāo)的變化情況見(jiàn)圖4(a)。著陸速度與著陸姿態(tài)兩部分的指標(biāo)也有著類似的變 化規(guī)律，只是變化方向與地形情況指標(biāo)相反，如圖4 (b)所示。
[0035] 步驟二、評(píng)估復(fù)雜地形安全度。根據(jù)步驟一得到的具體化的安全因子對(duì)網(wǎng)格化后 的復(fù)雜地形進(jìn)行量化評(píng)估;通過(guò)設(shè)置區(qū)間，將評(píng)估結(jié)果分級(jí)，得到復(fù)雜地形安全度。
[0036] 在使用具體化的安全因子對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行分析前，需要首先得到地形情況、著陸 速度W及著陸姿態(tài)Ξ部分指標(biāo)各自的計(jì)算結(jié)果。將地形進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格分別 按Ξ種因素指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算并將所有網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果整合在一張圖上，分別得到圖5(a)、5 (b)及5(c)。將W上Ξ張圖的結(jié)果按照安全因子中的加權(quán)方式即式(4)進(jìn)行相加，得到安全 因子的計(jì)算結(jié)果，如圖5(d)所示?？蒞看到，安全因子整體取值范圍在0到3之間，值越大，該 區(qū)域就越危險(xiǎn)，反之則越安全。
[0037] 進(jìn)一步通過(guò)設(shè)置區(qū)間對(duì)安全因子評(píng)估結(jié)果進(jìn)行劃分，得到復(fù)雜地形安全度。由于 滿足地形情況、著陸速度W及著陸姿態(tài)約束的區(qū)域每部分的指標(biāo)取值都接近為0,任何超過(guò) 約束的部分取值都接近1，故判斷出適宜著陸的區(qū)域其安全因子的總體取值小于1。對(duì)安全 因子計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析得到如圖6(a)所示的安全因子等高線圖。由于安全因子的整體取值 范圍為(〇,3)，小于1的部分認(rèn)為滿足約束，此處將其取值劃分為6個(gè)區(qū)間，對(duì)應(yīng)著不同的地 形安全度
[0038]
(S)
[0039] 安全度越高，安全因子的值越小，表明著陸面臨的危險(xiǎn)越小。將安全度對(duì)應(yīng)到復(fù)雜 地形上，得到圖6(b)，其中顏色越淺的部分安全度越高，在此區(qū)域著陸的安全性越有保障， 相反，顏色越深的部分則危險(xiǎn)性越大。在后續(xù)的著陸過(guò)程中，探測(cè)器只需向著安全度高的區(qū) 域運(yùn)動(dòng)即可在最大程度上保障著陸任務(wù)的順利完成。
[0040] 本發(fā)明保護(hù)范圍不僅局限于實(shí)施例，實(shí)施例用于解釋本發(fā)明，凡與本發(fā)明在相同 原理和構(gòu)思條件下的變更或修改均在本發(fā)明公開的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，其特征在于:包括如下步驟： 步驟一、確定具體化的安全因子表達(dá)式;安全因子由若干因素指標(biāo)通過(guò)加權(quán)得到，結(jié)合 任務(wù)需求及探測(cè)目標(biāo)特點(diǎn)，選取需要進(jìn)行評(píng)估的因素指標(biāo)、采用的函數(shù)形式以及加權(quán)方式， 得到具體化的安全因子表達(dá)式； 安全因子的定義為(1) factorl，factor2. . .factorN為安全因子中的因素指標(biāo)，所述因素指標(biāo)主要包括:地形 情況、著陸精度、著陸速度及姿態(tài)、燃耗、誤差及環(huán)境干擾； 考慮上述因素指標(biāo)、采用的函數(shù)形式和加權(quán)方式的情況下，得到一個(gè)具體化的安全因 子； 步驟二、評(píng)估復(fù)雜地形安全度;根據(jù)步驟一得到的具體化的安全因子對(duì)網(wǎng)格化后的復(fù) 雜地形進(jìn)行量化評(píng)估;通過(guò)設(shè)置區(qū)間，將評(píng)估結(jié)果分級(jí)，得到復(fù)雜地形安全度。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，其特征在于:步 驟一所述因素指標(biāo)所采用的具體函數(shù)形式既可以是離散函數(shù)，也可以是在有限范圍內(nèi)變化 的連續(xù)函數(shù)。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，其特征在 于:步驟一所述加權(quán)方式根據(jù)每種因素指標(biāo)對(duì)任務(wù)成敗的重要程度來(lái)決定，若認(rèn)為所選因 素對(duì)任務(wù)影響相近、不分上下，可對(duì)每部分因素指標(biāo)賦予相同權(quán)值;若某一項(xiàng)或某幾項(xiàng)因素 對(duì)任務(wù)成敗影響更大，則可通過(guò)加大該因素指標(biāo)的權(quán)值，增加該因素在分析結(jié)果中所占的 比重。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，其特征在于:步 驟一所述安全因子的因素指標(biāo)采用的函數(shù)形式為:S型函數(shù)、min-max標(biāo)準(zhǔn)化函數(shù)、多項(xiàng)式函 數(shù)或三角函數(shù)。5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于安全因子的復(fù)雜地形安全度評(píng)估方法，其特征在于:步 驟二所述復(fù)雜地形安全度是對(duì)安全因子的取值進(jìn)行合理劃分的結(jié)果，表明了探測(cè)器著陸在 不同地方可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)性大小，安全度越高，其危險(xiǎn)性也就越小;在選擇劃分區(qū)間時(shí)，需 要結(jié)合安全因子的整體取值范圍以及各部分評(píng)估指標(biāo)的取值特點(diǎn)，盡可能將安全區(qū)域、危 險(xiǎn)區(qū)域以及介于其間的模糊區(qū)域劃分開，安全度的級(jí)別個(gè)數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，用 安全度來(lái)對(duì)復(fù)雜地形著陸任務(wù)的成功率進(jìn)行衡量，從而達(dá)到評(píng)估的目的，為之后的著陸過(guò) 程起到指導(dǎo)作用。
【文檔編號(hào)】G06T17/05GK105844046SQ201610218860
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】崔平遠(yuǎn), 葛丹桐, 高艾, 于正湜, 朱圣英, 徐瑞
【申請(qǐng)人】北京理工大學(xué)