一种地外天体表面障碍点云建模方法与流程

1.本发明涉及一种地外天体表面障碍点云建模方法，属于图像处理和智能控制技术领域。


背景技术：

2.地外天体探测任务的着陆过程中，自主避障将是主要技术途径之一。地面进行各种工况的仿真测试是保证避障算法有效性的主要技术手段。目前，国内外数据的来源或者是在地面构建局部的实景地形沙盘，或利用已成功的天体探测任务得到的零散天体图片。实景沙盘的局限性在于本身场景区域较小，应用受到限制；且场景单一，障碍分布位置及数量难以有较全的覆盖性；同时沙盘也难以保证各个地形特征的比例尺寸，例如实际的陨石坑直径较大，这在沙盘上难以实现，以前探测任务所得到的零散天体资料图片则难以保证系统性，同时以光学图居多，三维点云数据十分稀少。除了构建局部实景地形外，可行的方法就是自行仿真生成天体表面障碍点云。纯仿真图像容易忽略除高斯噪声之外的其他图像问题，例如激光雷达在扫描过程中由于场景光照、地面反射率、激光能量等问题带来的回光缺失、不规律噪点等，不足以充分验证算法的有效性和鲁棒性。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种地外天体表面障碍点云建模方法，解决地外天体着陆三维点云数据测试用例不足，且仿真数据没有充分考虑敏感器的各类噪声，不足以充分验证着陆避障算法的有效性和鲁棒性的问题。
4.本发明的技术解决方案是：一种地外天体表面障碍点云建模方法，包括如下步骤：
5.生成叠加地外天体表面障碍的基础平面模型；
6.确定地外天体表面障碍类型及其模拟各类障碍的模型，生成障碍数据库；
7.在基础平面模型上确定障碍中心点位置，从障碍数据库中选取障碍，按xy坐标的对应位置将高程值累加，生成叠加障碍后的三维点云；
8.在三维点云中添加模拟激光雷达在扫描过程中产生的噪声的噪声模型，完成地外天体表面障碍点云建模。
9.进一步地，所述生成叠加地外天体表面障碍的基础平面模型包括如下步骤：将平面点云等间隔排布，预设平面高度z，以坐标(0,0,z)为中心生成基础平面点云。
10.进一步地，生成的基础平面为有一定坡度的平面，数据格式为规格化的三维点云。
11.进一步地，所述地外天体表面障碍类型包括陨石坑和岩石，分别用半球模型和半椭球体进行模拟。
12.进一步地，所述生成障碍数据库包括如下步骤：
13.调研天体表面岩石和陨坑的尺寸分布及密度分布，确定陨坑的深宽比、岩石高度与底部宽度的比例，确定点间隔，生成局部点云；
14.生成半球模型：以半球界面圆心为原点o，截面与xoy平面重合，陨坑口朝上；由深
宽比确定对应半球的参数方程，在一致点间隔的情况下，确定陨坑内各点的深度；
15.生成半椭球体模型：生成岩石时，设椭球截面为圆，以其截面圆心为原点o，截面与xoy平面重合，椭球球体朝上；由深宽比确定对应岩石的椭球参数方程，以上述点间隔确定岩石内各点的横纵坐标，代入椭球方程，求取高度；
16.按生成的陨石坑模型和岩石模型的形状存储其高度和深度。
17.进一步地，所述噪声模型包括高斯白噪声和由于视场边缘回光不足导致的点云数据错误噪声。
18.一种地外天体表面障碍点云建模系统，包括：
19.第一模块，用以生成叠加地外天体表面障碍的基础平面模型；
20.第二模块，用以确定地外天体表面障碍类型及其模拟各类障碍的模型，生成障碍数据库；
21.第三模块，用以在基础平面模型上确定障碍中心点位置，从障碍数据库中选取障碍，按xy坐标的对应位置将高程值累加，生成叠加障碍后的三维点云；
22.第四模块，用以在三维点云中添加模拟激光雷达在扫描过程中产生的噪声的噪声模型。
23.进一步地，所述生成叠加地外天体表面障碍的基础平面模型包括如下步骤：将平面点云等间隔排布，预设平面高度z，以坐标(0,0,z)为中心生成基础平面点云；
24.生成的基础平面为有一定坡度的平面，数据格式为规格化的三维点云；
25.所述地外天体表面障碍类型包括陨石坑和岩石，分别用半球模型和半椭球体进行模拟；
26.所述生成障碍数据库包括如下步骤：
27.调研天体表面岩石和陨坑的尺寸分布及密度分布，确定陨坑的深宽比、岩石高度与底部宽度的比例，确定点间隔，生成局部点云；
28.生成半球模型：以半球界面圆心为原点o，截面与xoy平面重合，陨坑口朝上；由深宽比确定对应半球的参数方程，在一致点间隔的情况下，确定陨坑内各点的深度；
29.生成半椭球体模型：生成岩石时，设椭球截面为圆，以其截面圆心为原点o，截面与xoy平面重合，椭球球体朝上；由深宽比确定对应岩石的椭球参数方程，以上述点间隔确定岩石内各点的横纵坐标，代入椭球方程，求取高度；
30.按生成的陨石坑模型和岩石模型的形状存储其高度和深度；
31.所述噪声模型包括高斯白噪声和由于视场边缘回光不足导致的点云数据错误噪声。
32.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。
33.一种地外天体表面障碍点云建模设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述的处理器执行所述的计算机程序时实现所述一种地外天体表面障碍点云建模方法的步骤。
34.本发明与现有技术相比的优点在于：
35.本发明对地形典型障碍(陨石坑和岩石)进行建模，根据不同地区的障碍分布特性生成地表三维图像，可获得大量天体地形三维点云数据。同时充分考虑除高斯噪声之外的
其他图像问题，例如激光雷达在扫描过程中由于场景光照、地面反射率、激光能量等问题带来的回光缺失、不规律噪点等，解决了实景成像成本高、数据量小的问题，同时还使得数据尽可能真实有效，保证算法的有效性和鲁棒性得到充分测试验证。
附图说明
36.图1为障碍地形生成流程图；
37.图2为陨坑仿真示意图；
38.图3为岩石仿真示意图；
39.图4为障碍及噪声叠加后仿真图—xy视角；
40.图5为最终障碍及噪声叠加后仿真图示例—立体视角。最终仿真图像是叠加了仿真障碍(陨坑、岩石)及敏感器噪声，包含点云缺失部分。
具体实施方式
41.为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本技术技术方案做详细的说明，应当理解本技术实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
42.以下结合说明书附图对本技术实施例所提供的一种地外天体表面障碍点云建模方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～5所示)：分别采用半球和半椭球体模拟陨坑和岩石，生成模型后将其叠加到基础平面上；接着对生成平面叠加一定程度高斯噪声，之后分析并提取敏感器噪声，在障碍图像上做掩膜处理，进一步叠加到图像上，生成最终仿真图像。
43.在本技术实施例所提供的方案中，包括以下步骤：
44.(a1)生成叠加障碍的基础平面
45.进一步，在一种可能的实现方式中，激光扫描得到的点云其点间隔并不完全一致，但为了数据处理的便利，将平面点云等间隔排布，预设好平面高度z，以坐标(0,0,z)为中心生成平行于xoy平面的基础平面点云。
46.(a2)障碍模型建立
47.可选的，地外天体着陆段常见的障碍类型有陨石坑和岩石。
48.陨石坑按形态可分为直径为几公里以下的碗状“简单坑”、直径为几公里或几百公里的“复杂坑”、以及一些的“多环盆地”。在着陆避障过程中，利用激光点云数据精确识别并避开障碍的高度约为100m，也是激光雷达的成像高度。以30
°
视场为例，能看到的场景尺寸约为50m
×
50m。因此在此高度下，默认粗避障已避开较大的复杂坑以及多环盆地，只有一些简单坑。因此以半球模型模拟陨石坑。
49.岩石是天体表面另一广泛分布的地形特征，其形状并不规则，但通过一些规则形状并构建表面粗糙度，可以较为逼真地模拟岩石。常用的模型包括半椭球体、半球体、四面体等。这里主要用半椭球体进行分析。
50.在一种可能的实现方式中，生成障碍数据库步骤如下：
51.调研天体表面岩石和陨坑的尺寸分布及密度分布，确定陨坑的深宽比、岩石高度
与底部宽度的比例，确定点间隔，生成局部点云。
52.用半球来模拟陨坑。模型方程为：
53.x2+y2+z2＝r2(z≤0)
54.生成半球时，以半球界面圆心为原点o，截面与xoy平面重合，陨坑口朝上。由深宽比确定对应半球的参数方程，在一致点间隔的情况下，确定陨坑内各点的深度。
55.同理，用椭球体模拟岩石。模型方程为：
[0056][0057]
生成岩石时，设椭球截面为圆，以其截面圆心为原点o，截面与xoy平面重合，椭球球体朝上。由深宽比确定对应岩石的椭球参数方程，以上述点间隔确定岩石内各点的横纵坐标，代入椭球方程，求取高度。
[0058]
按生成的陨坑和岩石的形状(横纵坐标确定的顺序)存储其高度、深度。
[0059]
(a3)叠加障碍
[0060]
在一种可能的实现方式中，在生成的基础平面上确定障碍中心点位置，从障碍数据库中选取障碍，按xy坐标的对应位置将高程值累加，生成叠加障碍后的三维点云。
[0061]
(a4)噪声叠加
[0062]
进一步，在一种可能的实现方式中，激光雷达在扫描过程中由于场景光照、地面反射率、产品激光能量等各种问题，生成的点云数据不可避免会存在噪声。
[0063]
噪声类型通常有：
[0064]
1)普遍存在的高斯小噪声；
[0065]
2)视场边缘回光不足导致的点云数据错误。
[0066]
可选的，在一种可能的实现方式中，对于第一种噪声，按照基础平面大小生成高斯噪声进行叠加。
[0067]
可选的，在一种可能的实现方式中，对于第二中噪声，首先分析产品该种噪声特性及分布，提取出图像未回光区域位置，在障碍图像上进行掩膜处理，叠加该种噪声。
[0068]
本技术提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。
[0069]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0070]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0071]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特
定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0072]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0073]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。
[0074]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。