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基於物理的月球地面作業感測器模擬環境


核心概念
本文介紹了一個基於物理的開源模擬器 Chrono,並著重探討其在模擬月球地面作業感測器方面的能力,特別是相機感測器,以支持月球探測機器人的設計、測試和部署。
摘要

Chrono 模擬器概述

本文介紹了一個名為 Chrono 的開源模擬器,該模擬器能夠模擬月球地面作業的物理環境,重點關注生成與實際相機在月球車輛上運行時所產生圖像質量相似的合成圖像。Chrono 模擬器具有以下幾個重要組件:

  1. 車輛建模支持 (Chrono::Vehicle): 提供各種輪式和履帶式車輛子系統的模板,並支持車輛在剛性、柔性和粒狀地形上的運行。

  2. 感測器模擬支持 (Chrono::Sensor): 提供實時感測器模擬,包括相機、LiDAR、SPAD 和 GPS/IMU,採用光線追踪引擎和物理渲染技術,並模擬鏡頭畸變、景深、曝光、感測器噪聲和感測器延遲等偽影。

  3. 地形力學模擬: 支持三種不同的地形模型:

    • 土壤接觸模型 (SCM):一種通用的可變形地形模型,可在商用硬件上實時運行,適用於車輪沉陷較小、滑移率較低且車輪幾何形狀接近圓柱體的情況。
    • 連續表示模型 (CRM):將地形近似為具有合適本構方程的連續體,使用平滑粒子流體動力學 (SPH) 方法進行數值求解,在模擬速度和精度之間取得平衡。
    • 離散元法 (DEM):跟踪地形中每個粒子的運動,產生高度準確但計算成本高昂的結果。
  4. 塵埃模擬: 模擬月球塵埃的產生和傳播,使用體積渲染技術來渲染塵埃體積。

  5. Chrono::ROS: 允許將基於 ROS2 的機器人算法集成到 Chrono 模擬中,促進軟件和硬件在環設計和測試。

月球環境下的相機模擬器

Chrono::Sensor 中基於物理的相機模型擴展了現有的光線追踪針孔相機模型,通過逐步整合圖像處理算法來模擬各種光學偽影,並提供對 F 值、曝光時間、ISO、焦距和焦距等相機設置的控制。

  1. 針孔相機模型和鏡頭畸變: 使用理想的針孔相機模型和光線追踪生成每個像素數據,並根據鏡頭畸變模型偏轉光線。

  2. 散焦模糊: 使用高斯薄透鏡模型,通過圖像處理引入散焦模糊來模擬景深。

  3. 漸暈: 通過用戶定義的衰減增益增強漸暈,導致圖像從中心到周邊的亮度降低。

  4. 聚合器: 隨著時間和像素區域整合輻照度,以計算每個像素的總電子能量。

  5. 噪聲添加: 考慮光子散粒噪聲、時間相關噪聲(暗電流和熱像素)和時間無關噪聲(讀出和固定模式噪聲),以實現逼真的照片模擬。

  6. 相機響應函數 (CRF): 通過模擬 - 數字轉換器放大和數字化模擬信號,並根據用戶選擇使用不同的函數(伽馬校正、S 形或線性)來定義 CRF。

  7. Hapke 雙向反射模型 (BRDF): 使用 Hapke 模型來準確模擬月球塵埃的反射特性,該模型考慮了多重散射、表面粗糙度、相干反向散射、風化層顆粒大小和孔隙度等因素。

模擬演示

  1. VIPER 和 RASSOR 在 CRM 地形上的案例研究: 展示了 VIPER 漫遊車在崎嶇的月球地形上行駛以及 RASSOR 漫遊車在月球表面進行挖掘作業的模擬,並使用 Hapke BRDF 函數模擬了逼真的月球照明條件。

  2. 通過立體相機算法評估模擬與現實的差距: 使用立體相機算法來評估真實照片和合成圖像之間的差距,以評估 Chrono::Sensor 在模擬月球圖像方面的性能。

總結

Chrono 模擬器為月球地面作業提供了一個基於物理的模擬環境,特別關注相機感測,並提供了廣泛的功能來模擬車輛動力學、地形力學、塵埃效應和逼真的光照條件。

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引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

by Nevindu M. B... arxiv.org 10-08-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.04371.pdf
A physics-based sensor simulation environment for lunar ground operations

深入探究

Chrono 模擬器如何與其他月球環境模擬器(例如 NASA 的 EDGE 或 DUST)進行比較?

Chrono 模擬器,類似於 NASA 的 EDGE、DUST、DARTS 和德國太空中心(DLR)的 URSim,是一個整合平台,提供動態模擬和感測器模擬功能。 然而,與這些平台不同的是,Chrono 是開源的,這使其在學術界和希望深入了解模擬器內部工作的開發人員中更具吸引力。 Chrono 的主要優勢在於其基於物理的特性,特別是在模擬地面車輛與月球土壤等可變形地形之間的相互作用方面。 Chrono 可以精確地模擬車輪下沉、滑移和土壤變形,這對於預測車輛性能和開發可靠的導航算法至關重要。 相比之下,其他模擬器,如基於 Gazebo 的月球漫遊車模擬器,則依賴於簡化的地面交互模型,這些模型可能無法準確捕捉月球環境的複雜性。 以下是 Chrono 與其他模擬器的比較: 特性 Chrono EDGE/DUST DARTS URSim IsaacSim Gazebo 開源 是 否 否 否 否 是 物理引擎 Chrono::Engine TRICK/Chaos Physics Chaos Physics PhysX PhysX ODE 圖形引擎 Chrono::Sensor, Irrlicht, VSG, OpenGL DOUG/Unreal Engine 5 Unreal Engine 4 Omniverse Ogre3D 可變形地形 SCM、CRM、DEM 有 有 有 否 月球塵埃模擬 有(簡化) 有 有 感測器模擬 Chrono::Sensor 有 Iris 有 有 有 ROS/ROS2 整合 Chrono::ROS 有 總之,雖然 EDGE、DUST、DARTS 和 URSim 等模擬器提供了廣泛的功能,但 Chrono 的開源性質、對可變形地形的重視以及基於物理的模擬使其成為月球地面作業研究和開發的寶貴工具。

模擬器如何處理月球塵埃的帶電特性及其對感測器的潛在影響?

目前,Chrono 模擬器採用簡化的塵埃模型,該模型主要側重於塵埃的產生和傳播,尚未考慮月球塵埃的帶電特性及其對感測器的影響。 然而,月球塵埃的帶電特性是一個重要的現象,會對月球探測任務產生重大影響。 由於太陽風、紫外線輻射和微隕石撞擊,月球塵埃會帶電。 這些帶電粒子會粘附在表面,包括感測器鏡頭,從而導致圖像質量下降,並干擾 LiDAR 和其他基於光的感測器的測量。 此外,帶電塵埃會產生電場,可能會干擾電子設備並對宇航員構成健康危害。 為了提高 Chrono 模擬器的真實性和預測能力,未來的工作應側重於將塵埃的帶電特性納入其中。 這可能涉及模擬塵埃粒子的充電過程、它們與表面和感測器的相互作用,以及由此產生的電場。 此外,需要研究和實施適當的體積渲染技術,以準確地捕捉帶電塵埃對光傳輸和散射的影響。 通過解決這些挑戰,Chrono 模擬器可以為月球探測任務提供更全面的模擬環境,從而能夠對感測器性能、塵埃減緩策略和宇航員安全進行更準確的評估。

除了本文討論的應用之外,Chrono 模擬器還可以用於哪些其他與月球探測相關的研究領域?

除了模擬月球車輛的運行和感測器數據生成之外,Chrono 模擬器還可以在其他與月球探測相關的研究領域中發揮重要作用: 月球著陸: Chrono 可以模擬著陸器在月球表面的下降和著陸,包括與月球塵埃的相互作用、著陸腿的動態響應以及著陸點的特性。 這些模擬可以幫助驗證著陸策略、優化著陸器設計並評估潛在的危險。 月球基地建設: Chrono 可以用於模擬月球基地建設的不同方面,例如使用機器人或宇航員操作的挖掘和施工設備。 模擬可以幫助確定最佳的施工方法、評估設備性能並優化月球土壤的利用。 月球資源開採: Chrono 可以模擬月球資源開採的不同階段,例如鑽探、挖掘和材料運輸。 這些模擬可以幫助評估不同開採技術的可行性、優化設備設計並最大程度地減少對月球環境的影響。 宇航服設計和測試: Chrono 可以與人體模型模擬相結合,以評估宇航服在月球重力和地形條件下的性能。 這些模擬可以幫助優化宇航服的設計,提高宇航員的機動性、舒適性和安全性。 月球塵埃減緩: Chrono 可以用於研究和評估月球塵埃減緩的不同策略,例如使用靜電屏蔽、刷子或氣流。 模擬可以幫助確定最有效的策略,以最大程度地減少塵埃對設備和宇航員的影響。 總之,Chrono 模擬器是一個用途廣泛的工具,可以為廣泛的月球探測研究和開發工作做出貢獻。 其基於物理的特性、模擬可變形地形的能力以及與其他軟件組件的集成使其成為研究人員和工程師的寶貴資產,因為他們致力於實現月球探索的目標。
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