梁 棟，王鵬基，劉良棟

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190）

一種基于LIDAR的精確月球軟著陸目標(biāo)點(diǎn)選定方法

梁 棟1，2，王鵬基1，2，劉良棟1

（1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190）

研究了月球探測(cè)器不設(shè)懸停階段的精確軟著陸運(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)目標(biāo)著陸點(diǎn)的自主選定方法.其過(guò)程包括著陸器運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、數(shù)字高程圖（DEM）的生成、障礙識(shí)別和最優(yōu)安全著陸點(diǎn)搜索4個(gè)步驟.采用LIDAR敏感器，由經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)玫降男本鄶?shù)據(jù)生成DEM，給出一種月面地形坡度和粗糙度的定義，根據(jù)安全著陸區(qū)的判據(jù)進(jìn)行障礙識(shí)別，最后設(shè)計(jì)中心螺旋式搜索方法對(duì)探測(cè)器最優(yōu)安全著陸點(diǎn)進(jìn)行搜索選定.通過(guò)仿真驗(yàn)證了本文方法的有效性和優(yōu)越性.

激光雷達(dá)；月球軟著陸；運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；障礙識(shí)別；數(shù)字高程圖

在月球表面成功實(shí)施軟著陸是進(jìn)行月球探測(cè)的關(guān)鍵性技術(shù)，更是為今后開(kāi)展深空探測(cè)和載人登月、建立月球基地奠定了基礎(chǔ).為了在月球表面具有科學(xué)價(jià)值的區(qū)域進(jìn)行軟著陸探測(cè)和取樣，希望著陸器能夠在一些選定的地形復(fù)雜區(qū)域安全著陸，這就要求月球軟著陸器具有較高的著陸定位精度和自主檢測(cè)障礙進(jìn)行規(guī)避的能力.

綜合國(guó)內(nèi)外基于地形識(shí)別的月球探測(cè)器軟著陸安全區(qū)識(shí)別技術(shù)方面的文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，選擇激光雷達(dá)（LIDAR，light detection and ranging）這種主動(dòng)光學(xué)成像技術(shù)具有比較明顯的優(yōu)勢(shì).這是因?yàn)長(zhǎng)IDAR精度比較高；經(jīng)解算能夠提供高分辨率的著陸區(qū)高程圖；采用的是主動(dòng)光源，因此著陸器可以在任意光照條件下完成著陸任務(wù)；不需要著陸區(qū)精確的地表反照率，具有更強(qiáng)的魯棒性［1］.

由于科學(xué)探測(cè)任務(wù)需要在選定的月面區(qū)域精確軟著陸，這樣的精確制導(dǎo)過(guò)程不再設(shè)置懸停階段，要求著陸器能在較快的運(yùn)動(dòng)中自主選取目標(biāo)著陸點(diǎn).在精確制導(dǎo)控制的過(guò)程中必須輔以包含運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹扅c(diǎn)自主選取技術(shù)，以在具有精確性的同時(shí)保證探測(cè)器軟著陸的安全性.本文研究一套完整的月球精確軟著陸點(diǎn)自主選定方法，包括著陸器運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、數(shù)字高程圖的生成、障礙識(shí)別和最優(yōu)著陸點(diǎn)搜索4個(gè)步驟，有較強(qiáng)的工程實(shí)用性.基于LIDAR的斜距信息由于著陸器的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生偏差，因此需首先經(jīng)過(guò)第一步的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償獲得數(shù)據(jù)，從而生成DEM，再由一種基于高程圖數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)區(qū)識(shí)別方法，通過(guò)擬合著陸區(qū)地形平面計(jì)算每個(gè)單元格的粗糙度、坡度和與預(yù)定著陸點(diǎn)的距離，采用中心螺旋式搜索方法選取著陸區(qū)內(nèi)最優(yōu)的安全著陸點(diǎn).這就為實(shí)現(xiàn)月球精確軟著陸提供了目標(biāo)著陸點(diǎn)，該過(guò)程是月面精確軟著陸任務(wù)中重要的一環(huán).

1 精確軟著陸點(diǎn)自主選定方法

1.1 LIDAR數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償

數(shù)字高程圖（DEM）是描述一定區(qū)域范圍內(nèi)地面特性、由有序數(shù)值構(gòu)成的陣列，可以表示為Vk＝（xk，yk，zk）（k＝1，2，…，n）.其中，xk和yk是平面坐標(biāo)，zk是（xk，yk）對(duì)應(yīng)的高程值.DEM從數(shù)學(xué)上描述了某一區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布，通過(guò)DEM可以方便地分析有關(guān)區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的地形情況.由著陸器機(jī)載LIDAR檢測(cè)設(shè)備通過(guò)測(cè)量激光的飛行時(shí)間獲取著陸器與月球表面之間的距離，在考慮著陸器平動(dòng)和姿態(tài)運(yùn)動(dòng)的情況下（如圖1所示），通過(guò)一定的幾何關(guān)系算法獲得月球表面的高程信息，生成DEM.

圖1 著陸器傾斜姿態(tài)時(shí)的LIDAR設(shè)備檢測(cè)月面示意圖

由于著陸器下降過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)，使得LIDAR的測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，因此在利用測(cè)量數(shù)據(jù)生成DEM之前需要對(duì)其進(jìn)行成像的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，包含前補(bǔ)償和后補(bǔ)償兩個(gè)過(guò)程.前補(bǔ)償為L(zhǎng)IDAR平臺(tái)的穩(wěn)定，即控制LIDAR設(shè)備的平臺(tái)使之在著陸器運(yùn)動(dòng)的同時(shí)保持掃描正確的區(qū)域；后補(bǔ)償即對(duì)著陸器在LIDAR設(shè)備成像期間的運(yùn)動(dòng)造成的數(shù)據(jù)失真進(jìn)行補(bǔ)償，獲得著陸器相對(duì)月面靜止情況下的高程數(shù)據(jù).如圖2所示，一個(gè)成像時(shí)間包括激光由LIDAR設(shè)備發(fā)射至月面和反射回著陸器被LIDAR設(shè)備接收的時(shí)間，快門(mén)成像時(shí)間以及數(shù)據(jù)處理時(shí)間3部分［2］.

圖2 一次成像時(shí)間

圖3示出了著陸器在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償情況［3］，給出期望掃描區(qū)域和一個(gè)成像時(shí)間始末時(shí)刻著陸器的位置，LIDAR設(shè)備由左向右進(jìn)行掃描.其中，圖3（a）為未加補(bǔ)償?shù)那闆r；圖3（b）只進(jìn)行前補(bǔ)償保證了正確的掃描區(qū)域，卻由于著陸器的下降運(yùn)動(dòng)造成高度逐漸減小，使得數(shù)據(jù)產(chǎn)生右傾失真；圖3（c）只進(jìn)行后補(bǔ)償使數(shù)據(jù)處理為著陸器在成像時(shí)間初始時(shí)刻相對(duì)月面靜止時(shí)掃描獲得的高程數(shù)據(jù)，但由于未控制LIDAR平臺(tái)使掃描覆蓋了不期望的錯(cuò)誤區(qū)域，例如，在一個(gè)成像時(shí)間0.1s內(nèi)，由于著陸器的平動(dòng)（水平速度50m／s，垂直速度10m／s）和轉(zhuǎn)動(dòng)（俯仰角速度20（°）／s），造成的LIDAR設(shè)備（高度200m，掃描角30°）掃描的正方形視場(chǎng)月面圖像各自的偏差效果經(jīng)計(jì)算為：水平速度造成月面圖像5m的水平速度向位移，垂直速度造成月面圖像各邊長(zhǎng)縮短0.535 9 m，俯仰角速度導(dǎo)致月面圖像變?yōu)樘菪?，上底比正方形邊長(zhǎng)縮短0.929 2m，下底比正方形邊長(zhǎng)增長(zhǎng)1.075 8m，梯形高比原正方形邊長(zhǎng)增長(zhǎng)0.139 6m.因此，只有在進(jìn)行前后兩種補(bǔ)償?shù)那闆r下才可獲得如圖3（d）所示期望的真實(shí)掃描數(shù)據(jù).

前補(bǔ)償是由LIDAR設(shè)備平臺(tái)相對(duì)著陸器本體的姿態(tài)跟蹤穩(wěn)定控制來(lái)完成，以保證掃描固定的區(qū)域，屬于LIDAR設(shè)備本身激光束方向控制性能的范疇.這里研究LIDAR成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償即后補(bǔ)償過(guò)程.

圖3 一次成像時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償效果圖（二維）

針對(duì)LIDAR設(shè)備的掃描和測(cè)量原理，本文提出如下運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法.

當(dāng)著陸器精確制導(dǎo)到達(dá)預(yù)定位置，將正下方的正方形月面區(qū)域作為預(yù)期著陸區(qū)，從該著陸區(qū)內(nèi)選擇最優(yōu)的安全著陸點(diǎn).以該預(yù)定位置為掃描初始位置，機(jī)載LIDAR設(shè)備對(duì)該區(qū)域月面地形順序掃描測(cè)距，經(jīng)斜距換算獲得高程信息.建立如圖4所示的觀測(cè)坐標(biāo)系，當(dāng)掃描到平面坐標(biāo)為（xi，yi）的地形點(diǎn)時(shí)，著陸器已由初始位置o運(yùn)動(dòng)至位置om，激光束方向控制保證了LIDAR設(shè)備在同一時(shí)刻掃描與在初始位置順序掃描時(shí)相同的地形點(diǎn)，但由于觀測(cè)坐標(biāo)系omxmymzm相對(duì)作為補(bǔ)償目標(biāo)的初始坐標(biāo)系oxyz發(fā)生了平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，因此所得到的斜距與初始位置測(cè)量相比有了一定的偏差，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪康木褪窍懫鬟\(yùn)動(dòng)帶來(lái)的斜距測(cè)量偏差.

首先通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)獲得著陸器的速度和角速度以及LIDAR平臺(tái)姿態(tài)等狀態(tài)量，從而計(jì)算出當(dāng)前觀測(cè)坐標(biāo)系相對(duì)初始位置時(shí)的姿態(tài)和位置信息，進(jìn)行坐標(biāo)變換.圖4中P點(diǎn)為（xi，yi）位置月面地形的最高點(diǎn)，即激光測(cè)距目標(biāo)反射點(diǎn)，初始時(shí)刻和當(dāng)前位置的斜距分別為圖4中所示的和.由當(dāng)前觀測(cè)坐標(biāo)系姿態(tài)信息得到其向初始坐標(biāo)系oxyz的轉(zhuǎn)換矩陣，著陸器相對(duì)于初始位置并表示在oxyz下的當(dāng)前位置為.因此獲得（xi，yi）地形點(diǎn)經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的測(cè)量斜距：

這樣，LIDAR設(shè)備將運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后測(cè)得的著陸區(qū)域地形的期望斜距數(shù)據(jù)矩陣S進(jìn)行存儲(chǔ)，并輸入給數(shù)據(jù)處理單元，在下一步驟中轉(zhuǎn)換生成數(shù)字高程圖.

1.2 斜距信息向數(shù)字高程圖的轉(zhuǎn)換

經(jīng)過(guò)著陸器的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，獲得了修正后的LIDAR測(cè)量著陸區(qū)域的地形斜距圖.再根據(jù)幾何關(guān)系將LIDAR所測(cè)斜距轉(zhuǎn)換成高程數(shù)據(jù)，生成DEM.

圖4 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償示意圖（三維）

式（2）幾何關(guān)系中各量為（xi，yi）地形點(diǎn)對(duì)應(yīng)的矩陣中元素，S為L(zhǎng)IDAR斜距測(cè)量數(shù)據(jù)矩陣，R為掃描區(qū)域地形點(diǎn)到著陸器月面投影的水平距離矩陣，H為著陸器相對(duì)于每一單元地形最高點(diǎn)的垂直高度矩陣.

著陸器初始位置到月面平均平面（基本表面）的高度為hm，推導(dǎo)出（xi，yi）位置地形點(diǎn)到著陸器月面投影的水平距離計(jì)算公式如下：

其中，ND為高程值樣點(diǎn)數(shù)，σ為L(zhǎng)IDAR的分辨率.

將式（3）代入式（2）可以求出Hij，再由幾何關(guān)系求出（xi，yi）位置地形點(diǎn)的高程值

這樣就由斜距信息得到了著陸區(qū)域地形的高程數(shù)據(jù)矩陣（DEM陣）Z.

1.3 基于高程圖的障礙識(shí)別方法

障礙識(shí)別的具體方法是由DEM數(shù)據(jù)擬合著陸區(qū)地形的平均平面，在此基礎(chǔ)上定義月球表面地形粗糙度和坡度的概念［4］，通過(guò)算法計(jì)算每一地形單元格的粗糙度和坡度，如圖5所示，然后根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)出對(duì)著陸構(gòu)成危險(xiǎn)的障礙區(qū)域和可以著陸的安全區(qū)域.

圖5 基于月球表面著陸區(qū)地形擬合平面的粗糙度和坡度定義

根據(jù)LIDAR高程圖的分辨率和軟著陸器的控制要求，將著陸區(qū)（100m×100m）平均劃分成大小合適的單元格地形塊.用（i，j）標(biāo)記著陸區(qū)中的單元格，其中i和j分別代表單元格所在的行數(shù)和列數(shù)，每個(gè)單元格覆蓋Nij個(gè)DEM數(shù)據(jù)點(diǎn).然后利用每一個(gè)單元格所對(duì)應(yīng)的高程圖地形塊Patch（i，j）中Nij個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)值，采用最小二乘法擬合出該單元格地形塊的平均平面.

定義擬合平面的方程為

式中，k1、k2和k3為待擬合的參數(shù).Patch（i，j）中有Nij個(gè)DEM數(shù)據(jù)點(diǎn)，記為（xt，yt，zt）（t＝1，2，…，Nij）.利用這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)，構(gòu)造Nij×3的矩陣如下：

定義Nij維的全1列向量：h＝[1 1…1]T.

按照最小方差的原則，求得擬合參數(shù)為

平面擬合的殘差r由下式計(jì)算：

式中，dt為第t個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到擬合平面的垂直距離，即

利用殘差定義地形粗糙度會(huì)忽略一些布有尖峰或陡坑障礙的危險(xiǎn)地形，因此本文將粗糙度定義為

給定φsafe為探測(cè)器能夠安全著陸所允許的月面地形最大坡度，rsafe為探測(cè)器能夠安全著陸所允許的月面地形最大粗糙度.經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)著陸區(qū)域的坡度和粗糙度同時(shí)滿足φ≤φsafe和r＜rsafe時(shí)為安全著陸區(qū)，否則就是分布著障礙的危險(xiǎn)著陸區(qū).具體地說(shuō)，如果φ≥φsafe，說(shuō)明整個(gè)地形塊的平均平面坡度非常陡峭，超出了安全著陸所能接受的范圍，著陸器降落在該地形塊上容易傾斜、滑移甚至翻倒；如果r＞rsafe，說(shuō)明該區(qū)域分布有比較突兀的巖石或內(nèi)壁較陡的凹坑，使得著陸器的緩沖支架無(wú)法正常接觸月面從而無(wú)法平穩(wěn)著陸，會(huì)出現(xiàn)碰撞、翻倒等危險(xiǎn).采用以上方法即可完成月球軟著陸區(qū)域的障礙識(shí)別和檢測(cè).

1.4 最優(yōu)著陸點(diǎn)的搜索方法

月球探測(cè)器在最終著陸段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行目標(biāo)著陸點(diǎn)自主選定時(shí)，要求具有較好的實(shí)時(shí)性.與常規(guī)的搜索方法相比，中心螺旋式最優(yōu)著陸點(diǎn)搜索方法計(jì)算迅捷，適合于工程應(yīng)用［5］.因此本文采用中心螺旋式搜索方法對(duì)目標(biāo)著陸點(diǎn)進(jìn)行最后的選定，具體過(guò)程描述如下：

1）結(jié)合LIDAR高程圖的分辨率，適當(dāng)選取單元格的尺寸，然后由每塊單元格所覆蓋的月面地形高程圖數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算其坡度和粗糙度；

2）根據(jù)安全著陸所允許的標(biāo)準(zhǔn)確定每塊單元格是否安全.當(dāng)其坡度和粗糙度滿足

則定義為安全單元格；否則為危險(xiǎn)單元格.這樣就將整個(gè)100m×100 m著陸區(qū)分成了安全和危險(xiǎn)兩種單元格組成的障礙識(shí)別結(jié)果圖；

3）定義安全著陸區(qū)：覆蓋全部為安全單元格的正方形區(qū)域，該正方形區(qū)域大小由控制精度和著陸器尺寸確定；

4）在障礙識(shí)別結(jié)果圖中，從預(yù)定著陸點(diǎn)（著陸區(qū)域中心點(diǎn)）開(kāi)始，以圖6所示的螺旋式搜索方法（方向?yàn)橛?、下、左、上順時(shí)針），逐漸向外進(jìn)行擴(kuò)展搜索，每次搜索的計(jì)算單位是以所到單元格的中心為中心的安全著陸區(qū)大小的正方形區(qū)域，搜索步長(zhǎng)為一個(gè)單元格；

5）判定規(guī)則：如果搜索至某一正方形區(qū)域?yàn)榘踩憛^(qū)時(shí)，搜索結(jié)束.將該安全著陸區(qū)作為最優(yōu)安全著陸區(qū)，其中心單元格位置即選定為目標(biāo)著陸點(diǎn).如果搜索完整個(gè)視場(chǎng)都未找到最優(yōu)安全著陸區(qū)，則把含危險(xiǎn)單元格最少、與最優(yōu)安全著陸區(qū)同樣大小的區(qū)域作為目標(biāo)著陸區(qū).

圖6 中心螺旋式安全著陸區(qū)搜索方法

可以根據(jù)不同的著陸器控制精度要求和著陸器的腳間距離，選擇所需的相應(yīng)安全著陸區(qū)大小，并把與安全著陸區(qū)同樣大小的正方形區(qū)域作為搜索目標(biāo)安全著陸區(qū)的每步判別計(jì)算單位，同樣采用這種中心螺旋式搜索方法，就可滿足各種軟著陸任務(wù)的安全要求.

2 數(shù)學(xué)仿真

2.1 仿真條件

設(shè)定的仿真條件如下：

著陸器初始位置高度：hm＝200m

月球表面著陸區(qū)（數(shù)字高程圖）范圍：100 m×100m

LIDAR高程圖分辨率：0.4m

數(shù)字高程圖高程值樣點(diǎn)數(shù)：250×250

著陸區(qū)地形障礙物高度偏差范圍：－2m～2m

安全著陸容許地形塊粗糙度：＜0.2m

安全著陸容許地形塊坡度：≤8°

安全著陸區(qū)大?。?0m×50m

2.2 仿真結(jié)果與分析

按照2.1節(jié)提出的方法，將著陸區(qū)測(cè)量數(shù)據(jù)逐步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、斜距換算生成DEM，再由DEM獲得三維月面地形圖和障礙識(shí)別結(jié)果圖，在此基礎(chǔ)上完成最后一步的最優(yōu)安全著陸點(diǎn)選定，給月球精確制導(dǎo)軟著陸提供出安全的目標(biāo)著陸點(diǎn).下面給出最終的仿真結(jié)果.

根據(jù)LIDAR高程圖的分辨率，在100m×100m的著陸區(qū)域中采集了250×250個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，生成圖7和圖8所示的地形圖.然后將該地形圖平均分成50×50塊2m×2m單元格，每塊包含5×5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).對(duì)于每一塊單元格，計(jì)算其坡度和粗糙度，如果滿足著陸安全要求，即為安全著陸區(qū)，標(biāo)記為白色區(qū)域，危險(xiǎn)的單元格標(biāo)記為黑色區(qū)域.再以預(yù)定著陸點(diǎn)為起點(diǎn)，進(jìn)行螺旋式搜索，每次移動(dòng)步長(zhǎng)為2 m，即一個(gè)單元格，搜索結(jié)束條件是找到以某單元格為中心的50m×50m的白色安全區(qū)域，并把該單元格的位置用星號(hào)標(biāo)記，此即最優(yōu)的安全著陸位置.對(duì)應(yīng)A著陸區(qū)的搜索結(jié)果如圖9所示，目標(biāo)著陸點(diǎn)的位置為（42，58），方框區(qū)域即為最優(yōu)安全著陸區(qū).而對(duì)應(yīng)B著陸區(qū)在圖10中的情況是搜索完整個(gè)視場(chǎng)都未找到最優(yōu)安全著陸區(qū)，那么將含有危險(xiǎn)單元格數(shù)目最少的50m×50m區(qū)域作為目標(biāo)著陸區(qū)，如圖中方框所示，星號(hào)標(biāo)記的著陸點(diǎn)位置為（26，68）.這就完成了月球精確軟著陸目標(biāo)著陸點(diǎn)自主選定的整個(gè)過(guò)程.

圖7 由高程數(shù)據(jù)生成的A著陸區(qū)地形圖

圖8 由高程數(shù)據(jù)生成的B著陸區(qū)地形圖

圖9 針對(duì)A著陸區(qū)的障礙識(shí)別和目標(biāo)著陸區(qū)搜索結(jié)果

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，中心螺旋式方法是一種比較有效的安全著陸點(diǎn)搜索方法.該方法在工程允許的范圍內(nèi)考慮了實(shí)際中地形塊與著陸器尺寸的關(guān)系，做了適當(dāng)?shù)慕疲瑢?duì)劃分的每一塊單元格進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算識(shí)別，這使得運(yùn)算量大大減少，并且解決了控制精度和著陸區(qū)邊界帶來(lái)的問(wèn)題，使著陸安全性更高.通過(guò)與常規(guī)搜索方法進(jìn)行仿真比較發(fā)現(xiàn)，該方法運(yùn)算速度很快，實(shí)時(shí)性好，可以迅速地識(shí)別障礙，得到目標(biāo)安全著陸點(diǎn).另外，通過(guò)調(diào)整LIDAR分辨率和安全著陸容許指標(biāo)等參數(shù)即可滿足不同的著陸任務(wù)要求，因此該方法有著廣闊的應(yīng)用前景.

圖10 針對(duì)B著陸區(qū)的障礙識(shí)別和目標(biāo)著陸區(qū)搜索結(jié)果

3 結(jié) 論

本文針對(duì)月球探測(cè)器軟著陸過(guò)程的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)即自主障礙識(shí)別、目標(biāo)安全著陸點(diǎn)選定方法進(jìn)行研究.基于LIDAR提供的斜距測(cè)量信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，消除了著陸器運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的“漂移”、“斜視”等偏差效果的影響，將補(bǔ)償后的斜距信息轉(zhuǎn)換成高程圖數(shù)據(jù)，再給出月面地形塊坡度和粗糙度的定義和計(jì)算方法進(jìn)行障礙識(shí)別，最后根據(jù)常規(guī)思維、計(jì)算量和實(shí)時(shí)性要求設(shè)計(jì)了一種安全著陸點(diǎn)搜索方法.仿真驗(yàn)證了本文提出的這種月球精確軟著陸目標(biāo)安全著陸點(diǎn)自主選定方法的實(shí)時(shí)性和有效性，為今后深空探測(cè)精確軟著陸提供了一項(xiàng)重要的技術(shù)準(zhǔn)備.

［1］ 朱圣英，崔平遠(yuǎn)，崔祜濤.基于LIDAR的月球軟著陸器障礙檢測(cè)規(guī)避方法［C］.中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第三屆學(xué)術(shù)會(huì)議，西安，2006

［2］ Slatton K C，Carter W E，Shrestha R.A simulator for airborne laser swath mapping via photon counting［C］.SPIE，Bellingham，WA，2005

［3］ Allen A CM，Langley C，Mukherji R，et al.Full-scale testing and platform stabilization of a scanning LIDAR system for planetary landing［C］.SPIE，Orlando，F(xiàn)L，2008

［4］ Lafontaine J d，Ulitsky A，Tripp JW，et al.The development of a scanning LIDAR system with GNC for autonomous hazard avoidance and precision landing［C］.SPIE，Bellingham，WA，2004

［5］ 梁棟，王鵬基，劉良棟.月球軟著陸障礙識(shí)別和最優(yōu)安全著陸區(qū)搜索方法研究［C］.中國(guó)宇航學(xué)會(huì)第三屆學(xué)術(shù)年會(huì)，北京，2008

A LIDAR-Based Autonomous Landing Site Selection Method for Pinpoint Lunar Soft Landing

LIANG Dong1，2，WANG Pengji1，2，LIU Liangdong1
（1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China；2.National Key Laboratory of Science and Technology on Space Intelligent Control，Beijing 100190，China）

This paper studies an autonomous landing site selection method for lunar pinpoint soft landing during lander’smotion.Themethod includes 4 steps：motion compensation，digital elevation map generation，obstacle detection and optimal safe-site search.According to the compensated data provided by light detection and ranging，the digital elevation map is generated，then the definitions of the lunar surface roughness and slope are given，and a safely landing criterion is presented to detect the obstacle.Based on this concept，a central-helix searchingmethod is designed to select the optimal safe landing site for lunar landers.The simulation results show validity and superiority of the autonomous landing site selection method.

light detection and ranging；lunar soft landing；motion compensation；obstacle detection；digital elevation map

2009-09-25

梁 棟（1982—），男，山東人，博士研究生，研究方向?yàn)樯羁仗綔y(cè)航天器自主控制（e-mail：liangdong702＠hotmail.com）.

V448

A

1674-1579（2009）06-0024-06