RT23 | Vision-guided Autonomous Lunar Lander仿真 a Hardware in Loop (HiL)仿真

本文介绍的研究是一种基于 HiL仿真 的方法，利用具有代表性的物理模型、带有速度和姿态约束的指定下降轨迹以及从公开月球图像数据库和其他受限来源获得的实际月球图像，来仿真 月球着陆器的动力下降（PD）阶段。假设月球着陆分为三个阶段，包括滑行下降轨道（DO）、动力下降（PD）和最终下降（TD）阶段。还假设着陆器配备了多个传感器，如惯性测量单元（IMU）、表面跟踪相机和脉冲激光高度计（PLA）。着陆器的姿态和运动控制假定由通过传感器融合获得的信号引导。着陆器飞船及其机载控制器在 OpalRT OP4500 平台上模拟，图像处理硬件则通过 MATLAB 接口。最终的解决方案设想采用基于微控制器的紧凑型操作，在同一块电路板上安装图像处理 FPGA 和处理器内核。 为了消除与载人登月任务相关的风险，自主登月已成为深空探索的最新技术。最近中国和印度的月球探险就是一例。基于视觉的自主危险探测和规避系统是任何自主着陆任务背后的关键研究领域之一，以实现在行星体上的安全软着陆。其中最重要的是美国国家航空航天局的自主精确着陆和危险规避技术（ALHAT）。最近的发展包括美国国家航空航天局的自主着陆技术合作混合（COBALT）或欧空局的行星接近和着陆导航（NPAL）使用视觉引导控制和导航（VGCN），这些技术使用实时特征提取将太空飞船导航到指定坐标（运动控制），并校正位置和姿态传感器数据。此外，还提供了 "变化-3 "着陆器实际下降轨迹的精彩再现。 本文研究的 PD 阶段从 15 千米处开始，在这一阶段，航天器通过发射推进器，在水平面和垂直方向上都受到减速。.控制器是一个基于混合有限状态机（FSM）的自适应比例-微分（PD）控制器，通过调整垂直推力和姿态角以及适当的增益调度来修正速度误差。空间飞行器依靠机载 IMU 和地形相对导航（TRN）[10]，利用实时特征提取和连续图像匹配来纠正 IMU 误差。在本研究中，假设这一阶段将持续到距离地面约 1.2 千米处，此时 TD 阶段开始，导航控制设定点以更快的速度生成，即每隔 1 秒生成一次，以实现更严格的位置和速度控制。当着陆器在水平面内距离所需的着陆点在± 1 千米以内，且水平面内的速度小于± 10 厘米/秒时，姿态稳定系统启动，使地面跟踪相机的光学平面与着陆器的中心平面对齐，并打开着陆器的激光高度计。然后，着陆器下降到大约 140 米的高度，并开始悬停，利用机载反作用轮绕 Z 轴产生偏航，以探测轻微的危险。如果探测到危险，着陆器将执行重新瞄准动作，平移到无危险区，并在距月球表面 1 米处关闭发动机，以每秒 1.8 米的速度着陆。整个仿真 在Opal RT 上进行，并在 OP4500 平台上获得了具有代表性的月球数据和图像。