【泡泡机器人新闻社】只依赖视觉和自身感觉的高效着陆策略——TIME-TO-CONTACT

选文| 周艺   翻译| 叶培楚 徐礼达 张晨

审核| 胡琪   编辑| 胡琪

素材来源：ACT/ESA-A.I. for space
泡泡机器人推广内容组编译作品

Time-to-Contact可以成为一种解决航天器（无人机）着陆问题的高效视觉方法吗？

看完文章的你来想一想吧~

近年来，许多关于自主航天器着陆问题的研究都采用了计算机视觉的相关方法来提高对着陆状态估计的准确率[1-3]。通常，这些研究将其他传感器（比如激光或者雷达高度计）与视觉模块相融合，这对于大型航天器的主要着陆系统来说，是行之有效的方法。但对于备用应急系统或更小的航天器而言，一个完全基于视觉和本体传感器（如陀螺仪）的轻量级解决方案或许是更为明智的选择。

会飞的小动物们能够仅仅依赖于视觉信息以及自身感觉来完成安全而准确的着陆，这在最近成为航天器着陆研究的灵感来源[4-6]。

研究的重点是应用腹光流（ ventral optical flow ），即平移速度除以高度的测量方法。众所周知，蜜蜂使用光流控制他们的速度和高度，尤其是着陆时，采用保持腹光流稳定不变的策略[10]。Valette等人研究了其中的控制规律，并以此模拟在月球上的着陆[5]。

但腹光流用于着陆的缺点有两方面。第一，着陆器的纵向动力大小是不受约束的。在加速上升和减速下降时，腹光流可以是相等的。因此，人们必须直接或间接地确定是哪种类型的下降剖面，比如可以引入俯仰规则等[5]。但如果不使用额外的外部感知信息，这将会在推进剂消耗和最低门槛条件的定义上导致相当大的代价[6]。第二，在垂直着陆的情况下，腹光流是（接近）零的。在这种情况下，腹光流不提供任何关于如何着陆的信息。

在研究中我们调查了一种在动物着陆过程中发挥重要作用的着陆策略——Time-to-Contact（TTC）[11,12]，用来补充腹光流和其他视觉上的方法。在着陆前后，TTC是高度除以垂直速度。当接近地面时，地面上的成像特征会逐渐扩张，通过测量特征的扩张情况可以用来估计TTC[13,14]。

初步结果表明，使用TTC可以只依靠本体感觉和视觉就能实现安全、高效的着陆策略。 基于理论分析，依据摄像机获取的图像测量出腹光流和TTC，航天器就可以在行星表面实现软着陆（相对于最佳着陆具有最小损失）。我们最新的实验涉及到在仿真空间模拟器PANGU中获取图像来测量出TTC。 结果表明，在存在噪声和延迟的情况下，这种着陆策略仍然发挥作用。

在这个项目中，研究的着陆策略也与航天部门以外的领域有关，如无人机的自动着陆问题[15,16]。

参考文献

1. Johnson, A., Willson, R., Cheng, Y., Goguen, J., Leger, C., Sanmartin, M., and Matthies, L., Design through operation of an image-based velocity estimation system for Mars landing, International Journal of Computer Vision, Vol. 74, No. 3, 2007, pp. 319-341.