一种行星探测器及系统的制作方法

本发明涉及深空探测领域领域，特别是涉及一种行星探测器及系统。

背景技术：

行星探测器系统可对行星表面进行细致探测与分析，是研究未知星球的重要工具，然而行星表面地形的复杂性对行星探测器的机动能力提出了很高的需求，现有的行星探测器系统中的行星探测器主要采用轮式结构，其越障能力有限，容易出现打滑和翻车的情况，使用环境受到很大的限制。

且现有的行星探测器系统因自身轮式结构机动性不足，往往会采取增大航天器尺寸，从而增加复杂地形环境中的机动性，但其能耗成本的增加成为了不可避免的缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种行星探测器及系统，能够适用于复杂地形环境，越障能力强，具有灵活机动性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种行星探测器，所述行星探测器包括：

箱体结构，所述箱体结构包括前箱体结构和后箱体结构，所述前箱体结构与所述后箱体结构通过旋转电机连接，所述旋转电机用于对所述前箱体结构和所述后箱体结构的空间方位进行位姿调整；

脚轮组，包括n个脚轮，设置在所述前箱体结构和所述后箱体结构的底面，用于支撑并带动所述前箱体结构和所述后箱体结构运行；

天线模块，与所述箱体结构连接，用于接收外界信号，并对所述箱体结构进行定位；

有效荷载，与所述箱体连接，包括全景摄像机和/或化学成像设备和/或增益天线和/或机械臂。

优选地，所述行星探测器还包括：

太阳翼模块，设置在所述箱体结构的两侧，分别与所述旋转电机、所述天线模块连接，用于将太阳能转化为电能进行存储。

优选地，所述行星探测器还包括：

驱动电机组，包括多个与脚轮连接的驱动电机，各所述驱动电机用于驱动对应的所述脚轮运动。

优选地，所述脚轮呈x型排列。

优选地，所述脚轮为全向轮。

一种行星探测器系统，所述行星探测器系统还包括：

多个摄像机模块以及多个对接模块；各所述对接模块分别设置在任意两个行星探测器之间；

针对每一对接模块，所述对接模块包括前对接装置和后对接装置，所述前对接装置设置在一个行星探测器的前箱体结构的前端，所述后对接装置设置在另一个行星探测器的后箱体结构的后端，且所述前对接装置与后对接装置对接，所述前对接装置上设置有所述摄像机模块；各所述摄像机模块用于确定所述前对接装置对应的行星探测器与其他所述行星探测器的箱体之间的相对位姿。

优选地，所述对接模块为锥孔式对接装置。

优选地，所述前对接模块为电磁铁，所述后对接装置为类锥形金属对接器。

优选地，所述摄像机模块具体为双目相机。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种行星探测器及系统，所述行星探测器前箱体结构和后箱体结构可以灵活的进行调整，方便跨越行星地表的障碍物。本发明一种行星探测器及系统能够适用于复杂地形环境，越障能力强，具有灵活机动性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种行星探测器及系统的行星探测器结构图；

图2(a)至图2(d)为本发明一种行星探测器及系统的行星探测器典型荷载图；

图3为本发明一种行星探测器及系统的行星探测器系统的信息集群工作模式图；

图4(a)至图4(d)为本发明一种行星探测器及系统的行星探测器系统的物理集群工作模式图。

符号说明：

1—有效载荷，2—全向轮，3—旋转电机，4—太阳能帆板，5—对接模块，6—双目相机，7—甚高频天线系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种行星探测器及系统，能够适用于复杂地形环境，越障能力强，具有灵活机动性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一种行星探测器及系统的行星探测器结构图，如图1所示，本发明一种行星探测器及系统的所述行星探测器包括：箱体结构、脚轮组、天线模块、有效荷载1。

其中，所述箱体结构包括前箱体结构和后箱体结构，所述前箱体结构与所述后箱体结构通过旋转电机3连接，所述旋转电机3用于对所述前箱体结构和所述后箱体结构的空间方位进行位姿调整。

优选地，所述旋转电机3使得前箱体结构和后箱体结构这两部分之间具有旋转自由度，使得行星探测器适用于穿越高山、沟壑、深坑等不同地形特征。

所述脚轮组包括n个脚轮，设置在所述前箱体结构和所述后箱体结构的底面，用于支撑并带动所述前箱体结构和所述后箱体结构运行。

具体的，所述脚轮成x型排列。

为了提高本发明一种行星探测器及系统的行星探测器的移动性能，所述脚轮为全向轮2，所述全向轮2使得探测器具有360度的全向移动能力。

天线模块，与所述箱体结构连接，用于接收外界信号，并对所述箱体结构进行定位。

具体的，所述天线模块为甚高频天线系统7，用于各个行星探测器之间进行信息交互，协同完成任务。

图2(a)、图2(b)、图2(c)和图2(d)为本发明一种行星探测器及系统的行星探测器典型荷载图，所述有效荷载1与所述箱体连接，包括全景摄像机和/或化学成像设备和/或增益天线和/或机械臂。

优选地，所述行星探测器还包括：

太阳翼模块，设置在所述箱体结构的两侧，分别与所述旋转电机3、所述天线模块连接，用于将太阳能转化为电能进行存储。

可选地，所述太阳翼模块为太阳能帆板4。

优选地，所述行星探测器还包括：

驱动电机组，包括多个与脚轮连接的驱动电机，各所述驱动电机用于驱动对应的所述脚轮运动。

本发明还公开了一种行星探测器系统，所述行星探测器系统包括：

多个所述行星探测器、多个摄像机模块以及多个对接模块5；各所述对接模块5分别设置在任意两个行星探测器之间；针对每一对接模块5，所述对接模块5包括前对接装置和后对接装置，所述前对接装置设置在一个行星探测器的前箱体结构的前端，所述后对接装置设置在另一个行星探测器的后箱体结构的后端，且所述前对接装置与后对接装置对接，所述前对接装置上设置有所述摄像机模块；各所述摄像机模块用于确定所述前对接装置对应的行星探测器与其他所述行星探测器的箱体之间的相对位姿。

优选地，所述对接模块5为锥孔式对接装置。

可选地，所述前对接模块5为电磁铁，所述后对接装置为类锥形金属对接器。

具体的，所述摄像机模块具体为双目相机6。

作为一种可选的实施方式，所述双目相机6可确定某一个行星探测器与其他行星探测器之间的相对位姿。具体过程为：

(1)相机标定，首先利用张正友标定对单目相机的内参进行标定，安装双目相机6到设备上，对双目相机6的外参进行标定。由于双目系统结构很难保证满足理想的平行双目系统，对其进行立体校正得到标准的平行双目系统，在进行立体校正之后可应用适当的立体匹配算法获取空间一目标点在左右相机像面上的对应点对，由得到的对应点在左右图像中的位置计算视差，视差与空间目标点的深度相关，基于视差理论可求出空间目标点的位置。

(2)相对位姿计算，首先建立双目系统基于视差理论进行空间目标点位置确定的数学模型；然后对双目系统的立体校正与立体匹配进行了研究，应用对极几何的思想对系统进行立体校正，并选择适用的基于图像灰度的ncc算法对图像进行立体匹配，从而确定对应点对。最后应用视差理论计算点云图像中对应的空间三维坐标，得到对接物的三维点云模型。对点云图进行处理，然后应用icp算法进行精准匹配得到对接物的位姿。

(3)采用基于视觉的合作目标对接方式，具体流程为：视觉部分采用成熟的orb-slam做为基础进行运用。orb-slam它是由三大块、三个线程同时运行的。第一块是跟踪，第二块是建图，第三块是闭环检测。orb-slam非常适合移植，代码是开源的，可以对其三方面优化算法进行更改。在tracking线程中，对相机初始化根据不同的场景自适应选择单应矩阵或基础矩阵，对相机位姿跟踪根据相机的运动情况进行变化，若相机可以基本保持匀速运动选用trackwithmotionmodel()函数，若出现崩溃，则使用trackreferencekeyframe()进行关键帧的跟踪，对局部地图跟踪，尽可以使当前帧包含以创建的地图点；在localmapping线程中，对用于后端局部地图优化中的局部ba算法进行改进，得到更加准确的位姿估计值。整个系统围绕orb特征进行计算。与sift和surf相比，不需要gpu加速，在cpu上面即可实时计算；与harris角点等简单角点特征相比，具有良好的旋转和尺度不变性。orb-slam创新式地使用了三线程完成slam。实时跟踪特征点的tracking线程，局部ba的优化线程，全局posegraph的回环检测与优化线程。

基于视觉的合作目标对接方式的技术例如采用lbp特征提取算法对其进行特征提取等。

tracking线程的具体步骤为：

(1)初始化：根据特征点对计算homography(单应矩阵)或者fundamentalmatrix(基础矩阵)。homography的计算方法为normalizeddlt，fundamentalmatrix的计算方法为normalized8points。

(2)相机位姿跟踪：首先，假设相机匀速运动，通过trackwithmotionmodel()函数进行相机位姿跟踪；若失败，则通过trackreferencekeyframe()函数进行关键帧位姿跟踪，获得有效的当前位姿值；

(3)局部地图跟踪：用于获取于当前帧更多的匹配地图点，得到更加准确的位姿估计值。其中，poseoptimization()函数基于重投影误差进行位姿的进一步优化。为提高效率，在对接装置5的表面设定典型特征，并将该特征数据作为最优匹配对象，同时为了防止对接跟踪出现误匹配，将探测器的外部特征也作为已有数据进行存储，在检测到探测器尾部特征后，再对预知的特征进行匹配。

图3为本发明一种行星探测器及系统的行星探测器系统的信息集群工作模式图，如图3所示，在信息集群工作模式下，各个行星探测器利用自身所搭载的有效载荷1，执行相应的功能，并利用所搭载的甚高频天线系统7，进行相互之间的信息交互，协同完成任务。

图4为本发明一种行星探测器及系统的行星探测器系统的物理集群工作模式图，如图4(a)所示，当行星探测器系统之间需要实现物理集群时，各个探测器利用自身所携带的双目相机6与锥孔式的对接模块5实现可靠的物理连接，连接之后的行星探测器系统系统具备在复杂环境下的灵活机动能力，物理集群之后的系统利用每个探测器个体前后两部分之间的相对转动自由度，可实现在翻越陡峭目标过程中探测器系统与目标表面的贴合。这种机动能力除了可以使得系统翻越目标外，还使系统可以完成陡峭目标顶端区域的相关任务；如图4(b)，当穿越一定宽度的沟壑地带时，连接探测器个体前后两部分的电机保持锁定，前后部分保持刚性连接，整个探测器系统可以近似看成是一个刚体，可利用自身的长度直接穿过沟壑地带。这将大大缩短系统在穿越沟壑地带的耗时，提升任务效率；如图4(c)，与翻越陡峭目标类似，系统利用每个个体前后两部分之间的相对转动自由度，避免被掀翻，从而能够顺利到达深坑底端，完成相应的任务；如图4(d)，系统还可以集体展开营救，当其中一个探测器出现故障时，可以利用其它探测器进行搜索，同时使用正常工作的探测器与故障探测器连接并将故障机带回基地进行维修，减少人工搜寻的工作量。

根据本发明公开的具体实施例，本发明具有以下技术效果：

本发明行星探测器系统中物理集群与信息集群两种工作模式相配合，可以大大增强系统的工作空间。

本发明行星探测器以蚂蚁为启示，蚂蚁作为典型的群居动物，展现出了非同寻常的生存能力，通过个体之间相互连接的方式实现物理上的集群，这两种集群方式各自有不同的特点。蚂蚁可以通过集群搬运质量远大于单个个体的目标，同时还可以通过首尾相连，跨过壕沟，有极强的环境适应能力。本发明所述行星探测器模仿蚂蚁的结构发明了前箱体结构和后箱体结构，可以自由旋转，顺应小型化、智能化、模块化、低能耗和功能集成的发展趋势，适用于复杂地形环境，越障能力强，具有灵活机动性能。

本发明行星探测器及系统以太阳能帆板为能源，使探测器及系统可以长期工作。不局限于定量电池，寿命比现有技术中的探测器要长，工作时间也有了一定提高。

本发明行星探测器及系统采用不同的有效载荷，使得探测器及系统在行星表面等复杂的环境下能够轻松完成测绘、采样、救援等任务，具有极高的实用性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。