月面形貌环境综合模拟试验场及其模拟方法

专利名称：：月面形貌环境综合模拟试验场及其模拟方法
技术领域：
：本发明涉及模拟技术，具体来说，涉及一种月面形貌环境的综合模拟试验场及其模拟方法。
背景技术：
：前苏联在上世纪登月期间，建设环形土壤通道模拟试验场(长70米、宽4米)，主要包括环形坑等；还建设有综合形貌模拟试验场长50m，宽50m;包括环形坑、沟壑和岩石等。并且早在1965年，美国为Apollo计划在休斯顿约翰逊空间中心建立了一个空间环境模拟室(SESL)，以提供Appollo时期所有载人航天器和LRV的地面试验。LOCKHEED导弹和空间公司(LMSC)建立了一个高大的人造仓，来模拟月球庇护所和月球太空舱外环境。其中的测试床允许确定相互作用效应，包括重力的减少、合适的阻碍物、与高度有关的压力的减少，综合l/6的重力、合适的障碍物、真空条件等，进行月面巡视探测器所面临的环境的模拟试验，从而降低月球探测任务中操作控制的风险。除了美国、前苏联为其月球车的行走、导航、避障性能考核做了大量的地面试验外，日本也为考察月球车的远程操纵、自主行走和机动性，建立有综合试验场，包括月球车试验台，室内设备，仿真系统，沙盘模型。月球车试验台包括远程操纵试验台和自主巡航试验台。室内设备是为月球车试验台服务的系统。室外的沙盘模型占地80mX80m，包括了陨石坑，山丘和峡谷等月表地貌(可参见文献T.Adachi,T.Iijima,S.Okamoto:andT.Takan，"AnexperimentalfacilityforLunarRoverdevelopment",46thInternationalAstronatuticalCongress,Oslo,Norway,1995)。目前在国内对月球车的研究主要集中在对月面巡视探测器的研制，月面巡视探测器的工作模式、各个系统的组成和实现方案。对相关的地面试验研究很少，而工程化应用的地面试验场更是寥寥无几。综合以上可知，国内外的试验场只单独实现了对月面土壤、地形地貌的模拟，没有包括光照和背景环境的综合环境模拟。因此为了考虑了各种模拟条件，例如背景、灯光、以及地面的月球形貌模拟条件对整体月面形貌模拟试验场的影响，有必要对这些试验条件进行合理地布置，以供月面巡视探测器在其中进行各项地面试验并预期达到理想的模拟效果。
发明内容本发明的目的之一是提供一种背景、灯光以及地面试验条件都能充分展示月面形貌的月面形貌环境的综合模拟试验场。本发明的另一目的是提供一种月面形貌环境的综合模拟方法，该方法综合了月面光照模拟、月面背景环境模拟、月面土壤和地形地貌模拟，可以实现有限空间内表现月面无限的空间背景的效果。为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案一种月面形貌环境的综合模拟试验场，其包括密闭的黑空间月面形貌试验场、光照模拟系统、背景环境模拟系统、月面土壤和地形地貌模拟系统，其中，所述月面形貌试验场内的光照模拟系统包括单边墙体上设置的模拟日光斜射的照明灯，优选镝灯，其功率不小于4Kw，优选4Kw，以及设置在试验场四周墙体上散布的若干个功率不小于1.2Kw的照明灯，优选镝灯；所述背景模拟系统包括幕布，该幕布选择喷绘月表环形山和深空背景，优选根据登月进行计算获得的真实星空背景；所述月面土壤和地形地貌模拟系统包括将月面复杂的形貌简化为斜坡，坑和石块的典型地形，然后利用模拟月壤根据已知的月面形貌数据进行构造。其中，上述试验场为是矩形或圆形等形状，但优选圆形，所述试验场内的模拟区为矩形或圆形，圆形模拟区的有效试验面积直径在10m以上；或者矩形模拟区的体积在10mxlOmxlOm以上。其中，密闭的黑空间月面形貌试验场由密闭外墙形成，墙体内侧涂有黑色漆，优选黑色亚光漆。其中，上述照明灯例如镝灯都配装有挂具，以对灯的照射方向和高度的调节，并且其色温可达5600K。其中，上述幕布也可设置天牌灯、底牌灯等灯阵把光投射到背景幕布上或者优选在背景幕布后通过设置灯箱来进行背部打光来表现幕布的画面。其大小可根据模拟区大小和/或形状进行选择。其中，所述月面土壤和地形地貌模拟系统中的斜坡，坑和/或石块的数量没有特别的限制，可根据已知的月面形貌数据进行构造。本发明进一步提供了一种月面形貌环境的综合模拟试验场，其包括圆形模拟区、顶灯、幕布、侧灯、试验区，模拟外区；模拟区内的地面具有模拟月壤构建的月面形貌，顶部设置有模拟日光直射的顶灯，密闭的模拟外区的内壁上设置多个侧灯，每次可根据需要开启一个，其光线斜射到圆形模拟区内以模拟出斜射的效果，模拟月面背景的幕布围绕圆形模拟区边缘一周进行设置；模拟外区的外部设置试验区，试验区的顶部周边可设置导轨，导轨上设置吊车，来搬用物件，所述顶灯和侧灯均为照明灯，优选镝灯。上述的模拟试验场中，模拟外区的内壁上涂有黑色漆，优选黑色亚光漆，形成密闭的黑空间。其中，顶灯的数目没有特别的限制，并且优选在模拟区圆心的顶部设置一顶灯，其余顶灯绕圆心均布，其离圆心的距离也没有特别的限制，以模拟日光直射无阴影的月面光照情况；侧灯设置在模拟外区的四个角上，且其高度可进行调节。本发明进一步提供了一种月面形貌环境的综合模拟试验场，其包括矩形密闭外墙，其体积可以按照实际需要加以选择(例如场地的大小、形状等)，试验场内一侧设置有内墙，将试验场成隔成模拟区、总控区、安装区，相应外墙和内墙上开有门，其中，密闭外墙的内侧涂有黑色漆，优选黑色亚光漆，形成密闭的黑空间；设置有内墙一侧的外墙内墙体中央设置有功率不小于4Kw的镝灯以模拟斜射的日光，然后在外墙内墙体的长宽距离上均布若干功率不小于1.2Kw的镝灯，实现均匀光照模拟；功率大于4Kw的镝灯墙体的对面墙体上设置幕布，该幕布选择喷绘月表环形山和深空背景，优选根据登月进行计算获得的真实星空背景；试验场地面部分通过将月面复杂的形貌简化为斜坡，坑和石块的典型地形，然后利用模拟月壤根据已知的月面形貌数据进行构造来模拟月面土壤和地形地貌。其中根据外墙的实际长度和镝灯的功率大小，在外墙内墙体的长宽距离上以每隔5m或7m或其它适合长度设置一盏灯的方式均布多个功率不小于1.2Kw的照明灯例如镝灯。本发明也提供了一种一种月面形貌环境的综合模拟方法，包括月面光照模拟、月面背景环境模拟、月面土壤和地形地貌模拟，其中，所述月面突然和地形地貌模拟是将月面复杂的形貌简化为坑、斜坡和石±央，并且坑的形貌和分布规律符合月面的统计规律，位置是随机分布的，并且石块的大小在统计规律上也和月面的一致，位置也是随机的；臓光照模拟^M;环开邻光来模拟日光垂直照射月面，并舰单个大功率的方向光源来模拟光线余站才月面；所述月面背景环境模拟是通过月面的足够高分辨率的真实照片，来设计背景幕布的画面，同时要和构造月面形貌的模拟月壤的颜色相融合，并合理布置背景幕布，以实现有限空间内表现月面无限的空间背景的效果。目前国内外的试验场只单独实现了对月面土壤、地形地貌的模拟，没有包括光照和背景环境的综合环境模拟。而本发明通过对月面形貌环境综合模拟技术的三大要素即月面的土壤和地形地貌环境模拟、光照环境模拟和背景环境模拟进行合理配置，能够理想地模拟月面的形貌环境，为月面巡视探测器在其中进行各项地面试验提供了可能。图1为本发明的月面形貌环境的综合模拟试验场圆形模拟区的实施方案之一的结构示意图。其中，1、圆形模拟区；2、模拟日光直射的顶灯；3、环绕一周以模拟月面背景的背景幕布；4、模拟斜射效果的侧灯；5、吊车；6、配套的试验区、模拟外区7。图2为本发明的月面形貌环境的综合模拟试验场矩形模拟区的实施方案之一的结构示意图。其中11、外墙；12、内墙；13、模拟区；14、总控区；15、安装区，16、门；17、大功率镝灯；18、小功率镝灯。图3为试验场内内坑的剖面。具体实施例方式以下结合实施例对本发明作详细的说明月面形貌环境的综合模拟试验场的结构根据附图1，圆形模拟区的月面形貌环境的综合模拟试验场包括圆形模拟区l、顶灯2(照明灯如功率不小于4KW镝灯)、幕布3、侧灯4(照明灯如功率不大于1.2KW的镝灯)、试验区6，模拟外区7;模拟区1内的地面具有模拟月壤构建的月面形貌，顶部设置有模拟日光直射的顶灯2，顶灯2的数目没有特别的限制，其中优选在圆心设置一顶灯，其余顶灯绕圆心均布，其离圆心的距离也没有特别的限制，以模拟日光直射无阴影的月面光照情况。密闭的模拟外区7的墙壁上可设置侧灯4，优选设置在模拟外区的四个角上，每次可根据需要开启一个，其光线斜射到圆形模拟区内以模拟出斜射的效果，且侧灯4的高度可进行调节。预先喷绘好的模拟月面背景的幕布3围绕圆形模拟区边缘一周进行设置，其高度也没有特别限制，可根据实际需要进行调节。模拟外区7的外部设置试验区6，试验区6的顶部周边可设置导轨(未示出)，导轨上设置吊车5，以利于搬用物件，其中，模拟外区的内壁上涂有黑色漆，优选黑色亚光漆，形成密闭的黑空间。根据图2，矩形试验区的月面形貌环境的综合模拟试验场包括密闭外墙ll，其长宽高分别为30mx21mxl0m，试验场内一侧设置有内墙12，将试验场成隔成试验区13、总控区14、安装区15，相应外墙ll和内墙12上开有门或装料门16，供人通行或装卸料之用，其中，密闭外墙的内侧涂有黑色漆，优选黑色亚光漆，形成密闭的黑空间。月面典型形貌模拟技术1)原材料选取用于构造月面形貌的材料必须是合理可行的模拟月壤，如吉林靖宇的强烈火山活动带附近的新鲜火山沉积物为原料，然后通过粉碎加工到合适的粒度，例如平均粒径70^m左右，同时在铺设过程中通过控制松散程度来控制其机械力学性质。或者也可以简单地利用金刚砂、普通细砂等来近似实现。2)地形地貌的构造月面复杂的形貌简化为斜坡，坑和石块等三种典型地形，然后利用模拟月壤根据己知的月面形貌数据进行构造。月面复杂的地形地貌可以简化为斜坡，坑和石块等三种典型地形，然后利用模拟月壤根据已知的月面形貌数据进行构造。斜坡的数目和形貌不限，但是最大坡度不要过高，一般在20。以下；坑的形貌参见图3所示，且试验场中布置的坑的个数见表1所示比例与试验场的面积相适应。石块直径和数量比例如表2所示。石块可以选用玄武岩，铺设埋入深度不超过1/2，对石块要固定，越障时不能发生翻转。坑和石块在场地中的分布为随机分布，对坑和石块只是在数量上有所规定，并没有严格的定位要求。表l环形坑个数分析直径范围(cm)个数(/500m2)统计结果试验室情况10153436152045<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表2石块直径与相应的个数<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>月面光照环境的模拟由于月球表面没有大气，不存在散射，因此，在月面光照都属于平行入射，而且入射光线较强。月面对光线的反射基本都属于漫反射。但地面光照设备无论是在强度还是在光谱特性上都很难模拟月面的光照情况，资料表明，月球表面的光照情况可以通过使用大功率的方向性光源在一定程度上进行仿真和再现。因此，进行光照环境模拟主要是获得月表的阴影分布情况，用于考查巡视器样机环境识别和路径规划能力，为相应环境识别方法和路径规划算法提供试验条件和设计依据。1)圆形试验区本试验场采用大功率，例如4kW和小功率，例如1.2kW的镝灯组合进行月表光照模拟，其中模拟外区内壁上，优选四个角上安装大功率镝灯，用于模拟日光斜射，能实现单灯照射20mx20m的范围。镝灯的色温可达5600K,接近太阳的光谱特性，能获得较好的的CCD成像效果。同时该灯配装以挂具，用以对灯的照射方向和高度的调节。为了实现日光直射时无阴影照明的模拟，同时结合试验场的具体条件，在圆形模拟区的顶部散布若干个小功率的镝灯，以模拟日光的直射，优选在圆形模拟区圆心的顶部设置一镝灯，并以该镝灯为圆心在圆形模拟区的顶部对称地均布，其数量和距离圆心的距离没有特别的限制，都可根据无阴影的实际需要进行调整，这样就实现了在试验区的初步均匀分布光照模拟。2)矩形试验区本试验场采用一盏大功率例如4kW和12盏小功率例如1.2kW的镝灯组合进行月表光照模拟，其中单边墙上安装的大功率镝灯17用于模拟日光斜射，能实现单灯照射20mx20m的范围。镝灯17的色温可达5600K，接近太阳的光谱特性，能获得较好的的CCD成像效果。同时该灯配装以挂具，用以对灯的照射方向和高度的调节。为了实现日光直射时无阴影照明的模拟，同时结合试验场的具体条件，在试验场的四周的墙上散布若干个小功率的镝灯18实现环绕散布照明(长边墙体上每隔5m设置一盏灯，短边墙体上每隔7m设置一灯)，小功率镝灯18的间隔依据其功率大小进行选择，这样就实现了在试验区的初步均匀分布光照模拟。月面背景的模拟月面背景的模拟是通过幕布在有限的室内场地中构造一个月面较大的远景，形成视觉上的大范围月面背景和空间背景的模拟。幕布可以选择喷绘月表环形山和深空背景(本试验场是根据2012年登月进行计算的真实星空)。在矩形模拟区的情况下，画布优选宽度21m，高度7m。值得注意的是，尽管上文的具体实施方式中采用镝灯作为实例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员显然能够明了具有相同功率和色温的照明灯同样能够实现本发明的发明目的，它的实现是不言而喻的。尽管上文对本发明的实施例进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施例进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。权利要求1、一种月面形貌环境的综合模拟试验场，其包括密闭黑空间的月面形貌模拟区、光照模拟系统、背景环境模拟系统、月面土壤和地形地貌模拟系统，其中，所述试验场内的光照模拟系统包括于所述模拟区的内部墙体上设置的模拟日光斜射的照明灯，其功率不小于4Kw，以及散布在模拟区四周墙体或顶部上的多个功率不小于1.2Kw的照明灯，以实现日光直射无阴影的效果；所述背景模拟系统包括幕布，该幕布选择喷绘月表环形山和深空背景；所述月面土壤和地形地貌模拟系统包括将月面复杂的形貌简化为斜坡，坑和石块的典型地形，然后利用模拟月壤根据已知的月面形貌数据进行构造。2、如权利要求1所述的综合模拟试验场，其特征在于，所述试验场内的模拟区为矩形或圆形。3、如权利要求2所述的综合模拟试验场，其特征在于，圆形模拟区的有效试验面积直径在10m以上；或者矩形模拟区的面积在10mxl0m以上，无论那种形状的试验区，其有效高度要在7m以上。4、如权利要求l所述的综合模拟试验场，其特征在于，所述模拟日光斜射的照明灯的功率不小于4Kw，并且其色温可达5600K。5、如权利要求l-4任一项所述的综合模拟试验场，其特征在于，所述照明灯为镝灯。6、如权利要求l-4任一项所述的综合模拟试验场，其特征在于，所述幕布根据登月时间和地点进行计算获得的真实星空背景来选择喷绘月表环形山和深空背景，其大小可根据模拟区大小和/或形状进行选择。7、如权利要求l-4任一项所述的综合模拟试验场，其特征在于，所述密闭黑空间的月面形貌模拟区由密闭外墙形成，墙体内侧涂有黑色漆。8、如权利要求6所述的综合模拟试验场，其特征在于，所述黑色漆为黑色亚光漆。9、如权利要求l-4任一项所述的综合模拟试验场，其特征在于，所述镝灯都配装有挂具，以对灯的照射方向和高度进行调节。10、如权利要求l-4任一项所述的综合模拟试验场，其特征在于，所述幕布可设置天牌灯、底牌灯的灯阵把光投射到背景幕布上或者在背景幕布后通过设置灯箱来进行背部打光来表现幕布的画面。11、如权利要求l-4任一项所述的综合模拟试验场，其特征在于，所述月面土壤和地形地貌模拟系统中的斜坡，坑和/或石块的数量可根据已知的月面形貌数据进行构造。12、一种月面形貌环境的综合模拟试验场，其包括圆形模拟区(1)、顶灯(2)、幕布(3)、侧灯(4)、试验区(6)，模拟外区(7);模拟区(1)内的地面具有模拟月壤构建的月面形貌，顶部设置有模拟日光直射的顶灯(2)，密闭的模拟外区(7)的内壁上设置多个侧灯(4)，每次可根据需要开启一个，其光线斜射到圆形模拟区内以模拟出斜射的效果，模拟月面背景的幕布3围绕圆形模拟区边缘一周进行设置；模拟外区(7)的外部设置试验区(6)，试验区(6)的顶部周边可设置导轨，导轨上设置吊车(5)，来搬用物件。13、如权利要求12所述的综合模拟试验场，其特征在于，模拟外区(7)的内壁上涂有黑色亚光漆，形成密闭的黑空间。14、如权利要求12或13所述的综合模拟试验场，其特征在于，在模拟区圆心的顶部设置一顶灯，其余顶灯绕圆心均布，其离圆心的距离要使得能模拟出无阴影的月面光照情况。15、如权利要求12或13所述的综合模拟试验场，其特征在于，侧灯(4)设置在模拟外区的四个角上，且侧灯4的高度、照射角度可进行调节。16、一种月面形貌环境的综合模拟试验场，其包括矩形密闭外墙，其体积可以按照实际需要加以选择；试验场内一侧设置有内墙，将试验场隔成矩形模拟区、总控区、安装区，相应外墙和内墙上开有门，其中，密闭外墙的内侧涂有黑色亚光漆，形成密闭的黑空间；设置有内墙一侧的外墙内墙体中央设置有功率不小于4Kw的镝灯以模拟日光，然后在外墙内墙体的长宽距离上均布若干功率1.2Kw的镝灯，实现均匀光照模拟；功率不小于4Kw的镝灯墙体的对面墙体上设置幕布，该幕布根据登月进行计算获得的真实星空背景进行选择喷绘月表环形山和深空背景；试验场地面部分通过将月面复杂的形貌简化为斜坡，坑和石块的典型地形，然后利用模拟月壤根据已知的月面形貌数据进行构造来模拟月面土壤和地形地貌。17、如权利要求16所述的综合模拟试验场，其特征在于，根据试验区的实际长度和镝灯的功率大小，在试验区周边墙体的长宽距离上等距设置的方式均布多个功率为不小于1.2Kw的镝灯。18、一种月面形貌环境的综合模拟方法，包括月面光照模拟、月面背景环境模拟、月面土壤和地形地貌模拟，其中，所述月面突然和地形地貌模拟是将月面复杂的形貌简化为坑、斜坡和石块，并且坑的形貌和分布规律符合月面的统计规律，位置是随机分布的，并且石块的大小在统计规律上也和月面的一致，位置也是随机的；戶脱光照模拟^iM:环开邻光来模拟日光垂直照谢月面，并通过单个大功率的方向光源来模拟光线余谢月面；所述月面背景环境模拟是通过月面的照片，来设计背景幕布的画面，同时要和构造月面形貌的模拟月壤的颜色相融合，并合理布置背景幕布，以实现有限空间内表现月面无限的空间背景的效果。全文摘要本发明公开了一种月面形貌环境的综合模拟试验场，其包括密闭黑空间的月面形貌试验场、光照模拟系统、背景环境模拟系统、月面土壤和地形地貌模拟系统，其中，月面形貌试验场内的光照模拟系统包括周边墙体上设置的模拟日光斜射的大功率照明灯，和设置在试验场周边墙体或顶部上散布的若干个小功率照明灯；所述背景模拟系统包括幕布，该幕布选择喷绘月表环形山和深空背景；所述月面土壤和地形地貌模拟系统包括将月面复杂的形貌简化为斜坡，坑和石块的典型地形，然后利用模拟月壤根据已知的月面形貌数据进行构造。本发明通过对月面的土壤和地形地貌环境模拟、光照环境模拟和背景环境模拟进行系统的合理配置，能够理想地模拟月面的形貌环境，为月面巡视探测器在其中进行各项地面试验提供了可能。文档编号G09B25/00GK101452655SQ20071019551公开日2009年6月10日申请日期2007年12月4日优先权日2007年12月4日发明者冯咬齐,向树红,涛李,樊世超,申振荣,阳贾申请人:北京卫星环境工程研究所