Προσγείωση στον Άρη:Προσοχή για τα επικίνδυνα αντικείμενα

Φανταστείτε ότι έχετε στρατολογηθεί με επιτυχία ως μετανάστης του Άρη. Αφού γιορτάζετε ότι είστε πρωτοπόροι και πλησιάζετε πιο κοντά σε αυτόν τον κόκκινο πλανήτη, ανακαλύπτετε με τρόμο ότι δεν υπάρχει σύστημα Ανίχνευσης και Αποφυγής Κινδύνων (HDA) στο πλοίο! Δηλαδή, πρέπει να περάσετε από μια ελεύθερη προσγείωση, όπως ακριβώς έχουν βιώσει οι προηγούμενοι πολεμιστές, οι MER-A, MER-B και Phoenix. Ο Θεός να σας έχει καλά.

Ένα ενσωματωμένο σύστημα HDA είναι σημαντικό για την προσγείωση του πλανήτη. Ωστόσο, λόγω ορισμένων τεχνικών περιορισμών, όλες οι αποστολές προσγείωσης μέχρι σήμερα εκτός από το κινεζικό Chang'e-3[1] είναι ουσιαστικά «τυφλές». Μέχρι στιγμής έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες χρησιμοποιώντας διαφορετικές τεχνικές. Οι συμβατικές προσπάθειες επικεντρώθηκαν κυρίως στην εξαγωγή οπτικών χαρακτηριστικών από εικόνες, συμπεριλαμβανομένης της τοπικής έντασης[2], των υφών[3], του σχήματος[4] ή ενός συνδυασμού αυτών των παραγόντων[5]. Αλλά τέτοιες προσεγγίσεις είναι ακατάλληλες για ανίχνευση πετρωμάτων λόγω της διαφορετικής μορφολογίας τους. Ένα άλλο εμπόδιο των μεθόδων που βασίζονται στην εικόνα είναι η αποτυχία της εκτίμησης κλίσης χρησιμοποιώντας την ίδια την εικόνα. Μια άλλη σειρά πρόσφατων μελετών πρότεινε τη χρήση του lidar για την ανίχνευση κινδύνων[6]. Το Flash lidar είναι ένας τέτοιος αισθητήρας που μπορεί να δημιουργήσει τρισδιάστατους χάρτες εδάφους.

Σε προηγούμενες εργασίες που μελετούσαν επί του HDA, ορισμένα πρώιμα σχέδια ενεργοποιήθηκαν σε υψόμετρο 100 έως 300 m πάνω από το επίπεδο του εδάφους (AGL) χρησιμοποιώντας μεθόδους που βασίζονται στην όραση για την ανίχνευση κινδύνων. Ωστόσο, για μελλοντική σύνθετη προσγείωση εδάφους, το αεροσκάφος ενδέχεται να αντιμετωπίσει μια σοβαρή κατάσταση «κορεσμού κινδύνου», δηλαδή η ορατή περιοχή δεν περιέχει ασφαλείς θέσεις προσγείωσης, οδηγώντας σε ανεπαρκές χρονικό περιθώριο ή υπολειπόμενο καύσιμο για το κυνήγι για ένα ασφαλές ιστοσελίδα. Μια διαισθητική προσέγγιση είναι να αυξηθεί το υψόμετρο της ενεργοποίησης HDA. Καθώς το υψόμετρο του HDA ανεβαίνει, το προσγειωμένο σκάφος μπορεί να επιτύχει νωρίτερο ελιγμό. Αυτό είναι απαραίτητο για τη μελλοντική επανδρωμένη προσγείωση, καθώς ο εντοπισμός όλων των κινδύνων δεν είναι το βασικό μέλημα σε μεγάλο υψόμετρο, αλλά ο εντοπισμός μεγαλύτερων βράχων και  απότομων πλαγιών, ώστε να προσδιοριστεί μια κατά προσέγγιση ασφαλής τοποθεσία. Στη συνέχεια, μπορεί να πραγματοποιηθεί μια πιο ακριβής HDA στην τερματική φάση καθόδου. Η επιτυχία της αποστολής Chang'e-3 καταδεικνύει την αποτελεσματικότητα της HDA σε μεγάλο υψόμετρο.

Εμπνευσμένοι από το Chang'e-3, σχεδιάσαμε μια διαδικτυακή στρατηγική ανίχνευσης κινδύνου δύο φάσεων. Στην αρχική φάση, το flash lidar χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός χάρτη κινδύνου για την κατά προσέγγιση επιλογή μιας ασφαλούς περιοχής αξιολογώντας τη γεωμετρία και τη μηχανική ανοχή του προσεδαφιστή κ.λπ. Με βάση μια συνολική εξέταση των παραπάνω παραγόντων, η καλύτερη περιοχή στόχευσης επιλέγεται ως ασφαλής περιοχή. Η εκτέλεση του πρώτου HDA θα πρέπει να ξεκινήσει μόλις αρχίσει η πτώση ισχύος, έτσι ώστε να παρέχεται επαρκής χρόνος για τυχόν απαιτούμενες προσαρμογές τροχιάς. Το τελικό HDA ενεργοποιείται στην τερματική φάση. Με βάση τις περιοχές προσγείωσης που έχουν επιλεγεί από την πρώτη HDA, αυτή η διαδικασία στοχεύει στην εύρεση ενός πιο ακριβούς και κατάλληλου σημείου προσγείωσης σε κλίμακα οχήματος.

Η δουλειά μας επικεντρώνεται κυρίως στην πρώτη HDA. Οι παραδοσιακές μέθοδοι ανίχνευσης κινδύνου που βασίζονται στο lidar προσαρμόζουν ένα επίπεδο αναφοράς για την εκτίμηση του ύψους των αντικειμένων. Ωστόσο, λόγω του τοπογραφικού ανάγλυφου, η τοποθέτηση ενός μεγάλου αεροπλάνου σε μεγάλο υψόμετρο θα εξομαλύνει δραματικά τα χαρακτηριστικά τραχύτητας και θα υποτιμήσει την κλίση. Αντίθετα, προτείνουμε έναν ισχυρό αλγόριθμο μοντελοποίησης επιφάνειας δεδομένων που βασίζεται σε τεχνικές παρεμβολής Thin Plate Spline (TPS) και φίλτρου lidar. Η συνεχής επιφάνεια TPS διαμορφώνεται ως ο συνδυασμός επιπέδου όρου και όρου κανονικοποίησης με βάση τον πυρήνα. Οι παράμετροι της επιφάνειας βελτιστοποιούνται ελαχιστοποιώντας την ενέργεια κάμψης. Πριν από τη μοντελοποίηση της επιφάνειας αναφοράς, χρησιμοποιούνται μορφολογικά φίλτρα πολλαπλής κλίμακας για την εξάλειψη του θορύβου lidar. Οι κίνδυνοι αξιολογούνται από τα υπολείμματα απόστασης των σημείων λέιζερ από την επιφάνεια του TPS. Οι κλίσεις υπολογίζονται άμεσα από την ίδια την επιφάνεια TPS.

Σχεδιάσαμε περαιτέρω μια νέα λειτουργία αξιολόγησης κινδύνου. Ο υποψήφιος προσγείωσης είναι ασφαλής εάν και μόνο εάν τόσο τα υπολείμματα όσο και η κλίση πληρούν τις απαιτήσεις προσγείωσης. Η τελική επιλεγμένη ασφαλής τοποθεσία θα είναι η ελάχιστη τραχύτητα και γωνία πρόσπτωσης ταυτόχρονα.

Τα αποτελέσματά μας σε πραγματικά δεδομένα lidar και προσομοιωμένη πλατφόρμα καταδεικνύουν την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθόδων. Κατασκευάσαμε μια πλατφόρμα lidar και πραγματοποιήσαμε πειράματα τόσο σε αυτήν την πλατφόρμα όσο και σε πραγματικά δεδομένα του Άρη.

Σε σύγκριση με τις υπερσύγχρονες μεθόδους ανίχνευσης που βασίζονται σε αεροπλάνο, οι μέθοδοί μας θα μπορούσαν να εντοπίσουν τους περισσότερους κινδύνους, υποδεικνύοντας την υπεροχή των προτεινόμενων μεθόδων. Ένα από τα μειονεκτήματα είναι ότι για μεγάλα επίπεδα αντικείμενα, όπως η επάνω επιφάνεια ενός γκρεμού, η επιφάνεια TPS θα ταίριαζε πολύ, οδηγώντας σε ανίχνευση που λείπει. Αλλά αυτό μπορεί να διευθετηθεί με τη μεγέθυνση του συρόμενου παραθύρου της πυραμίδας TPS με κόστος το θάμπωμα του εδάφους. Θα πρέπει να υπάρχει μια αντιστάθμιση που να εξισορροπεί το μέγεθος του παραθύρου και την ανάλυση του εδάφους. Ωστόσο, είναι πολύ καλύτερο από την τρέχουσα στρατηγική ανίχνευσης προσαρμογής αεροπλάνου.

Αναφορές:

1. Zhang, H., Liang, J., Huang, X., Zhao, Y., Wang, L., Guan, Y., Cheng, M., Li, J., Wang, P., Yu, J., 2014. Αυτόνομος έλεγχος αποφυγής κινδύνου για αλλαγή-3 soft landing. Science China Technological Sciences 44, 559.
2. Bajracharya, M., 2002. Ανίχνευση κινδύνου βάσει μιας εικόνας για πλανητικό προσεδάφιση, στο:Automation Congress, 2002 Proceedings of the 5th Biannual World, IEEE. σελ. 585–590.
3. Cohen, J.P., Ding, W., 2014. Ανίχνευση κρατήρα μέσω μεθόδων γενετικής αναζήτησης για μείωση των χαρακτηριστικών εικόνας. Advances in Space Research 53, 1768–1782.
4. Troglio, G., Moigne, J.L., Benediktsson, J.A., Moser, G., Serpico, S.B., 2012. Αυτόματη εξαγωγή ελλειψοειδών χαρακτηριστικών για καταχώρηση πλανητικών εικόνων. Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE 9, 95–99.
5. Xiao, X., Cui, H., Yao, M., Tian, ​​Y., 2017. Αυτόνομη ανίχνευση βράχου στον Άρη μέσω της αντίθεσης περιοχής. Πρόοδοι στη διαστημική έρευνα 60, 626 – 635.
6. Johnson, A.E., Klumpp, A.R., Collier, J.B., Wolf, A.A., 2002. Αποφυγή κινδύνου βάσει Lidar για ασφαλή προσγείωση στον Άρη. Journal of Guidance, Control, and dynamics 25, 1091–1099.