Слайд 1 - Техническое зрение в системах управления

Отработка алгоритма автономного
выбора места посадки КА «ФобосГрунт» по телевизионным
изображениям
Б.С. Жуков, С.Б. Жуков
Институт космических исследований РАН
Состав и основные характеристики камер Телевизионной
системы навигации и наблюдения (ТСНН) на КА «Фобос-Грунт»
 Узкоугольная телевизионная камера ТСНН-УТК
 Широкоугольная телевизионная камера ТСНН-ШТК
Параметры
Фокусное расстояние, мм
Отн. отверстие
Спектр. зона, мкм
Размер элемента ПЗС, мкм
Кол-во активных элементов
Угл. разрешение, угл.сек
Поле зрения, град.
Мин. угол к Солнцу, град
Число разрядов
Масса, кг
Энергопотребление, Вт
Кол-во приборов
ТСНН
УТК
ШТК
500
1:7
0,4 - 1
7.4
1000 х 1000
3.05
0.85
80
10
2.8
8
2
18
1:2
0,4 - 1
7.4
1000 х 1000
84.8
23.3
60
10
1.6
8
2
БОКЗ-МФ
32
1 : 1,7
панхром.
20
512 х 512УТК ТСНН
129
18.0
36
10
2.0
8
2
ШТК ТСНН
Задачи, решаемые автономно при посадке на поверхность
Фобоса:
съемка с запоминанием изображений,
передача сжатых изображений в реальном времени,
ШТК: измерение расстояния до поверхности и бокового смещения
(боковой скорости) КА (В.А.Гришин – доклады на данном семинаре в
2010-2011 гг.)
ШТК: построение карты неоднородности поверхности и автономный
выбор места посадки – наиболее ровной площадки размером ~10 м.
Измерения высоты и скорости КА и автономный выбор места
посадки используются в резервном алгоритме посадки на Фобос
(при отказе штатных средств – ЛВВ и ДИСД) на участке
свободного падения от 200-300 м до 50 м.
Постановка задачи
Характеристика рельефа в районе посадки (400 х 800 м) и выбор для посадки
наиболее ровной площадки размером ~10 м с высоты 300-50 м.
Подход к решению задачи
Недостаточная производительность процессора камер ТСНН и
низкая скорость обмена данными по МКО исключают возможность
построения детальной 3-мерной модели поверхности Фобоса в
реальном времени.
Вычислительно более простой подход основан на анализе
фотометрической неоднородности поверхности
1,0
0,8
0,6
ρ
0,4
0,2
0
-90
-60
к Солнцу
-30
0
α, град.
30
60
90
от Солнца
Функция Хапке, описывающая коэффициент яркости ρ темного
реголита как функцию фазового угла g и угла наклона нормали к
поверхности α
Принципы построения карты неоднородности:
Карта неоднородности строится по 4-кратно загрубленному
изображению (250 х 250 пикс.), которое на высотах ниже 50 м
дополнительно загрубляется в 2 раза, а на высотах ниже 25 м
– в 5 раз.
Изображение разбивается на 25 х 25 ячеек и в каждой ячейке
рассчитывается среднее значение μ и относительная дисперсия
d = σ2/ μ2.
Изображение анализируется в движущемся окне, размер
которого соответствует требуемому размеру площадки, с шагом,
равным одной ячейке.
Относительная дисперсия в окне D пересчитывается через
значения μ и d входящих в окно ячеек
Высота, м
1000
500
250
100
50
25
10
Разрешение изображения, cм
- исходного
- 4-кратно загрубленного
- 8-кратно загрубленного
- 20-кратно загрубленного
40
160
320
800
20
80
160
400
10
40
80
200
4
16
32
80
2
8
16
40
1
4
8
20
0.4
1.6
3.2
8
Поле зрения, м
400
200
100
40
20
10
4
Размер площадки, м
32.9
16.4
10
10
6.1
4.2
3.0
Число ячеек в окне
2
2
2
6
7
10
18
1/2
1/2
1/2
5/6
6/7
9/10
17/18
Перекрытие окон
1. Байтовое кодирование карты неоднородности:
map(i,j) = 1000. * D(i,j),
если map(i,j) > 255, то map(i,j) = 255
2. Дополнительный учет теней в пределах окна:
если хотя бы для одной ячейки в пределах окна средняя яркость
меньше 0.2 от максимальной, то map(i,j) = 255
3. Учет близости сильных неоднородностей:
map(i,j) =: 0.8*map(i,j) + 0.2 * max[map(i ± w, j ± w )],
где w – размер окна в числе ячеек.
4. Выбор окна с минимальным значением map в качестве места посадки
Исходное изображение
Отн. дисперсия ячеек
Карта неоднородности
Бортовое программное обеспечение, реализующее
данный алгоритм, написано на языках Си и Ассемблер.
Время выполнения операций по построению карты
неоднородности на процессоре ADSP-21060 ШТК с
тактовой частотой 24 МГц составляет около 0.1 с.
Карта неоднородности передается в БВК наряду с
репортажным кадром и результатами измерения высоты
и бокового смещения один раз в 6 с.
Алгоритм отработан по реальным изображениям
Фобоса, Луны и Марса высокого разрешения, а также по
модельным изображениям шероховатых поверхностей.
Пример стереопары, полученной
на стенде моделирования
Стенд моделирования изображений
шероховатых поверхностей
0
128
256
Построение карты неоднородности поверхности и выбор места посадки по
полученному HRSC-SRC на КА Mars-Express изображению Фобоса: image24_41720081008-5889-6-src-03-PhobosSeries_H1, разрешение 3.2 м (изображение предоставлено ESA/DLR/FU Berlin, G.Neukum)
0
128
256
Построение карты неоднородности поверхности и выбор места посадки по
полученному HRSC-SRC на КА Mars-Express изображению Фобоса: Image21_41620081008-5870-6-src-04-PhobosSeries_H1, разрешение 3.2 м (изображение предоставлено ESA/DLR/FU Berlin, G.Neukum)
0
128
256
Построение карты неоднородности поверхности и выбор места посадки по
полученному HRSC-SRC на КА Mars-Express изображению Фобоса: Image26_41820081008-5908-6-src-01-PhobosSeries_H1, разрешение 9 м / пиксел
(изображение предоставлено ESA/DLR/FU Berlin, G.Neukum)
0
128
256
Построение карты неоднородности поверхности и выбор места посадки в
предполагаемом районе посадки КА «Фобос-Грунт». Использовано полученное HRSCSRC на КА Mars-Express изображени: 5_h7915__Phobos_LandingSites_H, разрешение
4.4 м / пиксел (изображение предоставлено ESA/DLR/FU Berlin, G.Neukum)
Стенд ТСНН
Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН
Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН
Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН
Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН
Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН
Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН
Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН
Результаты отработки режима «Посадка» на стенде ТСНН
Спасибо за внимание!
Дополнительные слайды
Научные задачи ТСНН:
 мелкомасштабная структура кратеров и борозд,
 пространственные вариации отражательных характеристик
поверхности, характеристики грунта Фобоса,
 масса и положение центра масс Фобоса, его однородность,
 пылевые кольца Марса.
Навигационные задачи ТСНН на орбитах ИСМ:
навигационные съемки Марса и Фобоса с орбиты ИСМ,
уточнение района посадки (~800 м, разрешение УТК с
КСО до 0.4 м).