嫦娥五號(hào)月面表取采樣點(diǎn)選擇

鄭燕紅，鄧湘金，顧 征，金晟毅，李 青

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

2020 年11 月24 日，中國(guó)用長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射的嫦娥五號(hào)月球無(wú)人采樣返回探測(cè)器，于12 月1 日著陸在月球北緯43.06°、西經(jīng)51.92°的風(fēng)暴洋西北地區(qū)，并獲得了鄰近區(qū)域的月面圖像；并于12 月2 日完成了月面表取采樣，成功獲取了當(dāng)前月球最高緯度區(qū)域表層月壤樣品。

至今為止，已有多種地外采樣方式取得成功。美國(guó)勘察者（Surveyor）任務(wù)通過(guò)表面伸縮采樣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與寬、窄電視圖像聯(lián)合完成了月面承載測(cè)試、開溝區(qū)選擇［1］，支持完成了無(wú)人月球表面采樣工作。海盜號(hào)（Viking）通過(guò)長(zhǎng)基線雙目相機(jī)構(gòu)建了采樣區(qū)地形，支持完成首次火星采樣與探測(cè)活動(dòng)［2］。機(jī)遇號(hào)與勇氣號(hào)（MER）、鳳凰號(hào)（Phoenix）均利用立體相機(jī)圖像生成了機(jī)械臂可達(dá)空間數(shù)字高程圖，開展探測(cè)點(diǎn)或采樣點(diǎn)選擇，經(jīng)數(shù)字仿真后上行實(shí)施火面操作［3］。好奇號(hào)（Cu?riosity）五自由度機(jī)械臂通過(guò)導(dǎo)航相機(jī)圖像生成工作空間地形［4］，并結(jié)合臂載成像儀圖像，完成了火星表面鏟挖與鉆進(jìn)點(diǎn)選擇與分析。洞察號(hào)（In?sight）采用臂載相機(jī)獲取的左、右圖像構(gòu)建數(shù)字高程圖，協(xié)助完成科學(xué)探測(cè)儀器投放［5］。與已實(shí)施的地外采樣任務(wù)不同，嫦娥五號(hào)采用了長(zhǎng)臂展采樣機(jī)械臂、斜側(cè)安裝立體相機(jī)［6］、大尺度采樣器［7］等，并通過(guò)月面接觸與樣品挖掘兩種狀態(tài)相結(jié)合完成表取采樣，采樣點(diǎn)確定與其它地外淺表層采樣任務(wù)在產(chǎn)品特性、約束邊界、工作流程等方面存在較大的差異。

本文結(jié)合嫦娥五號(hào)構(gòu)型布局與表取采樣特點(diǎn)，分析了斜側(cè)安裝的監(jiān)視相機(jī)可視區(qū)，形成了適應(yīng)于光照不均勻、紋理高度相似場(chǎng)景的三維數(shù)字地形重構(gòu)流程；構(gòu)建了表取采樣可達(dá)約束條件；開展了可視可達(dá)區(qū)分析；針對(duì)一類大尺度采樣器，提出了數(shù)字仿真分析與物理實(shí)物驗(yàn)證相結(jié)合的采樣點(diǎn)選擇方法；最后對(duì)該方法在嫦娥五號(hào)月面表取采樣點(diǎn)確定過(guò)程中的應(yīng)用情況進(jìn)行了描述。

2 表取采樣過(guò)程

嫦娥五號(hào)探測(cè)器由軌道器、著陸器、上升器和返回器組成，著陸器與上升器構(gòu)成著上組合體，著陸月球表面實(shí)施采樣封裝與科學(xué)探測(cè)。

月面表取采樣前，利用安裝在著陸器外側(cè)的監(jiān)視相機(jī)對(duì)采樣區(qū)域進(jìn)行成像，如圖1 所示，成像區(qū)域主要集中在緩沖足盤1 和2 之間，提前獲取表取采樣工作區(qū)場(chǎng)景。

圖1 嫦娥五號(hào)表取采樣區(qū)成像示意圖Fig.1 Sketch of Chang’E 5 sampling image area

月面表取采樣期間，表取采樣機(jī)械臂在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)采樣。表取采樣機(jī)械臂的臂展長(zhǎng)度約3.7 m，具有肩偏航、肩俯仰、肘俯仰、腕俯仰4 個(gè)自由度，表取采樣點(diǎn)須處于機(jī)械臂伸展可到達(dá)的區(qū)域內(nèi)。機(jī)械臂同時(shí)配置了兩個(gè)異構(gòu)采樣器（甲、乙）實(shí)現(xiàn)月球樣品鏟挖、夾取或旋挖等，在此期間近攝相機(jī)、遠(yuǎn)攝相機(jī)、監(jiān)視相機(jī)可進(jìn)行視覺(jué)支持［8］。嫦娥五號(hào)表取采樣機(jī)械臂攜帶采樣器在監(jiān)視相機(jī)可視區(qū)域內(nèi)開展采樣工作，如圖2所示，首先到達(dá)中間點(diǎn)，當(dāng)需進(jìn)行觸月感知時(shí)，采樣器甲或乙經(jīng)觸月點(diǎn)到達(dá)鏟挖點(diǎn)或旋挖點(diǎn)；當(dāng)無(wú)需進(jìn)行觸月感知時(shí)，采樣器甲、乙可直接到達(dá)鏟挖或旋挖位置。

圖2 表取采樣過(guò)程示意圖Fig.2 Sketch of surface sampling process

從上述過(guò)程可見，嫦娥五號(hào)任務(wù)通過(guò)監(jiān)視相機(jī)圖像獲得采樣場(chǎng)景先驗(yàn)信息，結(jié)合表取采樣工作特點(diǎn)，確定安全可靠的采樣點(diǎn)是表取采樣活動(dòng)順利實(shí)施的重要環(huán)節(jié)。

3 相機(jī)可視區(qū)

嫦娥五號(hào)在著陸器外部斜側(cè)安裝的監(jiān)視相機(jī)（左相機(jī)和右相機(jī)）基線距離約20 cm，每臺(tái)相機(jī)靜態(tài)成像視場(chǎng)角約59°×45°，圖像分辨率為2 352×1 728。設(shè)右相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)左相機(jī)坐標(biāo)系的 旋轉(zhuǎn)矩陣為Rc∈R3×3，平移向量為Pc∈R3×1，則右相機(jī)系中點(diǎn)P2在左相機(jī)系的表示P1為：

為分析左、右監(jiān)視相機(jī)可視區(qū)，以圖1 中機(jī)械臂基準(zhǔn)坐標(biāo)系OXYZ為參考系，探測(cè)器發(fā)射前，對(duì)左相機(jī)坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系的相對(duì)位姿關(guān)系進(jìn)行了測(cè)定，記旋轉(zhuǎn)矩陣為Rm∈R3×3，平移向量為Pm∈R3×1，則左相機(jī)系下的點(diǎn)P1在參考系OXYZ下可表示為P0：

利用式（1）、式（2）可將左、右相機(jī)視場(chǎng)中各點(diǎn)在參考系中進(jìn)行統(tǒng)一表示。嫦娥五號(hào)左、右監(jiān)視相機(jī)均為矩形視場(chǎng)，不失一般性地，設(shè)橫、縱向半視場(chǎng)角分別為ν1，ν2，在相機(jī)坐標(biāo)系OcXcYcZc的OcXcYc平面內(nèi)構(gòu)造邊長(zhǎng)為1 的虛擬正方形Q1Q2Q3Q4，如圖3 所示，p1，p2，p3，p4為各邊中點(diǎn)，記OcN1，OcN2，OcN3，OcN4方向向量為，則通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換可得：

圖3 監(jiān)視相機(jī)視場(chǎng)覆蓋示意圖Fig.3 Sketch of view coverage of monitoring camera

記OcM1、OcM2、OcM3、OcM4方向向量為從而有：

其中，rz=［0，0，1］T。從圖4 可見確定了監(jiān)視相機(jī)視場(chǎng)的邊界線方向，根據(jù)式（1）、式（2）可得其在參考系中的表示L（ii=1，2，3，4）為：

其中，ki為比例系數(shù)。利用式（5）聯(lián)合采樣區(qū)形態(tài)，可確定監(jiān)視相機(jī)的覆蓋情況。如圖4 所示為基線距離20 cm，光軸與參考系OXY平面30°夾角，光軸在OXY平面的投影與+Z軸夾角為55°斜側(cè)安裝的監(jiān)視相機(jī)，對(duì)與參考系OXY平面平行、-Z側(cè)距離2 m 的平面覆蓋情況。

從圖4 可見，左右相機(jī)存在約13.1 m2的重疊區(qū)域，通過(guò)構(gòu)建特定的檢校場(chǎng)［9-11］，獲取精測(cè)數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)，對(duì)監(jiān)視相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，利用雙目視覺(jué)原理［12-13］進(jìn)行三維數(shù)字重構(gòu)，可獲得可視區(qū)地形，處理流程如圖5 所示。

圖4 監(jiān)視相機(jī)對(duì)平面的覆蓋示意圖Fig.4 Sketch of plane coverage of monitoring cameras

圖5 可視區(qū)地形處理流程Fig.5 Terrain reconstruct flow of visible area

考慮到月面光照的不均勻性，通過(guò)多參數(shù)融合圖像增強(qiáng)，提升圖像紋理質(zhì)量，采用Daisy 描述子［14-15］作為稠密特征提取算子，解決圖像中不同區(qū)域紋理相似情況下特征點(diǎn)提取和匹配難的問(wèn)題，確保特征點(diǎn)穩(wěn)定匹配、分布均勻，并通過(guò)整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)的視差估計(jì)，進(jìn)行深度圖濾波，生成可視區(qū)三維數(shù)字地形。

4 機(jī)械臂可達(dá)區(qū)

嫦娥五號(hào)表取采樣機(jī)械臂采用較少的自由度滿足月表采樣任務(wù)需求和探測(cè)器輕量化要求。不同于冗余機(jī)械臂［16］，無(wú)約束四自由度偏置型機(jī)械臂到達(dá)參考系中的目標(biāo)點(diǎn)（x0，y0，z0），并使采樣器具有特定的俯仰角α，具有4 種構(gòu)型狀態(tài)。嫦娥五號(hào)表取采樣機(jī)械臂由于特殊的走線與限位設(shè)計(jì)、機(jī)械臂安裝位置約束，選取其中一種進(jìn)行應(yīng)用，而采樣點(diǎn)必須處于有約束的機(jī)械臂可達(dá)區(qū)中。

從圖1 可見，表取采樣過(guò)程中，機(jī)械臂上臂桿將處于下探狀態(tài)，與下方的推力器、-X 側(cè)太陽(yáng)翼、腕關(guān)節(jié)壓緊座以及著陸器頂板與側(cè)板相交的側(cè)邊等存在干涉風(fēng)險(xiǎn)。在可達(dá)區(qū)確定過(guò)程中需綜合考慮探測(cè)器器表設(shè)備與機(jī)械臂的布局約束。為確保機(jī)械臂肩俯仰關(guān)節(jié)下探過(guò)程中具有可控的安全距離，將不同方位的肩俯仰關(guān)節(jié)下探角度作為可達(dá)區(qū)分析的約束條件，設(shè)B表示上臂桿上的點(diǎn)，S表示著陸器設(shè)備的點(diǎn)，對(duì)每個(gè)動(dòng)點(diǎn)B采用半徑為r的包覆球檢測(cè)是否有器表設(shè)備點(diǎn)S進(jìn)入其間，可對(duì)干涉邊界進(jìn)行搜索，即：

其中：θ1，θ2分別為機(jī)械臂關(guān)節(jié)1，2 轉(zhuǎn)動(dòng)角度；l表示上臂桿上動(dòng)點(diǎn)與端點(diǎn)的距離；a1為上臂桿長(zhǎng)度。動(dòng)點(diǎn)B 的位置可通過(guò)機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算得到?？紤]到該安全距離不受著陸狀態(tài)影響，可在任務(wù)實(shí)施前，根據(jù)式（6）確定θ1與θ2的約束關(guān)系，如圖6 所示。

圖6 機(jī)械臂關(guān)節(jié)1，2 安全約束曲線Fig.6 Safe constraint curves of joint 1 and 2

圖中曲線為不同安全間距下，θ2隨θ1變化的角度邊界（向下為正），當(dāng)θ2選取某曲線下方的角度值時(shí)，可確保采樣過(guò)程中機(jī)械臂不與器表設(shè)備發(fā)生干涉，并具有相應(yīng)的安全間距。在該曲線約束下，進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解的存在性確認(rèn)與求取，確定可達(dá)區(qū)，可表示為：

其中：θ3、θ4分別為表取采樣機(jī)械臂關(guān)節(jié)3、4 轉(zhuǎn)動(dòng)角度；F（·）為逆運(yùn)動(dòng)學(xué)表示函數(shù)。如圖7 所示為機(jī)械臂在與參考系OXY平面平行、-Z側(cè)距離2 m 平面上的可達(dá)區(qū)分布情況。

圖7 機(jī)械臂可達(dá)區(qū)示意圖Fig.7 Sketch of reachable area of sampling manipulator

從圖7 可見，有約束機(jī)械臂可達(dá)區(qū)約6.52 m2，其與左、右相機(jī)重疊可視區(qū)的公共區(qū)域約4.13 m2，稱該區(qū)域?yàn)榭梢暱蛇_(dá)區(qū)，為確保表取采樣關(guān)鍵環(huán)節(jié)可視、可測(cè)，嫦娥五號(hào)的表取采樣點(diǎn)在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行選擇。

5 數(shù)字可采點(diǎn)

嫦娥五號(hào)表取采樣異構(gòu)采樣器采用了直線型布局適應(yīng)多種場(chǎng)景需求，長(zhǎng)度接近0.8 m，如圖2 所示，這導(dǎo)致采樣點(diǎn)選擇對(duì)可視可達(dá)區(qū)的局部特征較為敏感。從圖2 可見，對(duì)于平坦區(qū)域，鏟挖時(shí)保持采樣器與采樣點(diǎn)鄰近區(qū)域盡可能平行，鏟挖深度具有較高的可控性，可避免采樣器與月面發(fā)生非預(yù)期接觸；旋挖時(shí)保持豎直狀態(tài)，確保采樣器前端與月面具有更好的貼合狀態(tài)。但對(duì)于凹凸不平區(qū)域，由于采樣器具有較大尺度，當(dāng)對(duì)可視可達(dá)區(qū)內(nèi)的凹坑點(diǎn)進(jìn)行采樣時(shí)，如圖8 所示，采樣器前、后端（標(biāo)識(shí)a和b處）與坑沿存在干涉風(fēng)險(xiǎn)，鏟挖月壤厚度也可能急劇變化（標(biāo)識(shí)c處）而發(fā)生卡滯；當(dāng)對(duì)坑沿部位進(jìn)行采樣時(shí)，低重力環(huán)境下的月壤流動(dòng)性，也可能引起鏟挖的月壤發(fā)生滑落（標(biāo)識(shí)d處），甚至無(wú)法獲得樣品。因此，嫦娥五號(hào)表取采樣點(diǎn)選擇需充分考慮采樣器尺度與可視可達(dá)區(qū)局部特征的影響。

圖8 凹凸區(qū)域采樣示意圖Fig.8 Sketch of undulant terrain for sampling

嫦娥五號(hào)采樣點(diǎn)的選擇以安全為首要原則，兼顧實(shí)施效率與樣品的豐富性。對(duì)于已獲得的可視可達(dá)區(qū)地形點(diǎn)是否可采，首先區(qū)分其處于平坦、凹陷或凸起區(qū)域。為提高單次采樣量，盡可能選擇非坑沿點(diǎn)，并以與采樣器尺度相當(dāng)?shù)木植繀^(qū)域?yàn)猷徑鼌^(qū)，計(jì)算鄰近區(qū)的坡度與坡向，確定觸月與采樣時(shí)的采樣器俯仰（繞圖8 中Zs軸的轉(zhuǎn)動(dòng)）、滾動(dòng)（繞圖8 中Xs軸的轉(zhuǎn)動(dòng)）姿態(tài)角度；根據(jù)采樣流程對(duì)觸月、采樣兩種狀態(tài)下，采樣器與月面的安全間距情況進(jìn)行分析，將安全的地形點(diǎn)作為安全點(diǎn)，形成安全點(diǎn)集。然后，根據(jù)任務(wù)需求，確定數(shù)字可采點(diǎn)坐標(biāo)范圍、采樣器與月面最小間距、采樣器姿態(tài)角度、可采點(diǎn)數(shù)量及分布距離等約束條件，在安全點(diǎn)集中自動(dòng)搜索或人工確定符合要求的可采點(diǎn)，選取流程如圖9 所示。

從圖9 可見，數(shù)字可采點(diǎn)具有一定的先后順序，排序過(guò)程中主要考慮與中間點(diǎn)（圖2 中Via Point）的坐標(biāo)距離dv、采樣器與月面最小安全間距ds、采樣器滾動(dòng)角β、采樣器俯仰角α等因素，對(duì)生成的總數(shù)為N 的數(shù)字可采點(diǎn)，第j個(gè)點(diǎn)可按式（8）進(jìn)行加權(quán)，結(jié)果數(shù)值（sj）越大，優(yōu)先級(jí)越高。

圖9 數(shù)字可采點(diǎn)選取流程Fig.9 Selection flow of digital adoptable points

其中：λ（ii=1，2，3，4）為加權(quán)系數(shù)，和為1；Sd（v·），Sd（s·），S（β·），S（α·）分別為距離dv、間距ds、滾動(dòng)角β與俯仰角α的評(píng)價(jià)函數(shù)，該評(píng)價(jià)函數(shù)與加權(quán)系數(shù)可根據(jù)任務(wù)情況設(shè)定。由于可視可達(dá)區(qū)地形較為稠密，通常超過(guò)兩百萬(wàn)個(gè)，在可視可達(dá)地形生成安全點(diǎn)集的過(guò)程中，可采用并行計(jì)算的方式進(jìn)行篩選，提升采樣點(diǎn)確定效率。

6 物理驗(yàn)證點(diǎn)

嫦娥五號(hào)在月面表取采樣區(qū)圖像獲取與月面表取采樣工作之間設(shè)計(jì)了約4 h 的時(shí)間間隔，并構(gòu)建了一套試驗(yàn)系統(tǒng)可在月面實(shí)施表取采樣前，在地面提前開展物理驗(yàn)證工作，確保采樣點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)指令及運(yùn)動(dòng)路徑的正確性。

地面首先根據(jù)月面表取采樣區(qū)圖像完成三維地形數(shù)字重構(gòu)后，利用3D 打印與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視區(qū)地形地面重建，如圖10 所示。然后，地面人員綜合重建地形狀態(tài)、表取采樣工作特性、數(shù)字可采點(diǎn)選取情況，確定采樣點(diǎn)。

圖10 表取可視區(qū)地形地面重建Fig.10 Physical terrain reconstruct of visible surface sam?pling area

其后，地面人員利用試驗(yàn)系統(tǒng)生成相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)指令，并利用與在軌狀態(tài)一致的表取采樣機(jī)械臂開展1∶1 的表取采樣物理驗(yàn)證工作，確認(rèn)動(dòng)態(tài)選擇的采樣點(diǎn)及相關(guān)工作的正確性，經(jīng)驗(yàn)證確認(rèn)的數(shù)字可采點(diǎn)為物理驗(yàn)證點(diǎn)。地面人員可根據(jù)任務(wù)實(shí)施情況，對(duì)物理驗(yàn)證點(diǎn)的排序進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，確定為表取備選采樣點(diǎn)，月面實(shí)施過(guò)程中以備選采樣點(diǎn)為中心點(diǎn)，結(jié)合周向安全距離情況，實(shí)施表取采樣活動(dòng)。

7 仿真與驗(yàn)證

2020 年12 月1 日，嫦娥五號(hào)著上組合體軟著陸月面后，監(jiān)視相機(jī)對(duì)表取采樣區(qū)進(jìn)行了成像觀測(cè)，獲取月面圖像如圖11 所示。

圖11 嫦娥五號(hào)監(jiān)視相機(jī)圖像Fig.11 Monitoring camera images of Chang’E 5

利用校準(zhǔn)后的內(nèi)、外參數(shù)，按圖5 所示流程完成可視區(qū)三維地形數(shù)字重構(gòu)，并按式（2）轉(zhuǎn)換獲得參考系OXYZ下的可視區(qū)地形如圖12（a）所示。經(jīng)分析該區(qū)域坡度約1.5°，對(duì)比圖4 可見，除監(jiān)視相機(jī)視場(chǎng)遠(yuǎn)端外（約2.45 m2，在可達(dá)區(qū)之外），可視區(qū)地形與之具有相似的形態(tài)。結(jié)合嫦娥五號(hào)表取采樣機(jī)械臂特性，根據(jù)式（6）、式（7）對(duì)可視區(qū)各地形點(diǎn)可達(dá)性進(jìn)行分析，并進(jìn)行關(guān)節(jié)角度計(jì)算，按圖6 中25 mm 間距約束曲線，可得可視可達(dá)區(qū)地形如圖12（b）所示。

圖12 監(jiān)視相機(jī)圖像的數(shù)字重建地形Fig.12 Digital terrain reconstruct of monitoring camera

在數(shù)字可采點(diǎn)選取過(guò)程中，為避免坑沿可能引起的單次采樣量下降情況，選取可采點(diǎn)與坑沿距離不小于80 mm，采樣器上各點(diǎn)周向安全間距不小于150 mm，鄰近區(qū)地形窗口沿參考系X，Y向邊長(zhǎng)為900 mm，通過(guò)分組并行計(jì)算對(duì)可視可達(dá)區(qū)地形點(diǎn)進(jìn)行遍歷，生成安全點(diǎn)集，其點(diǎn)云如圖13 所示。

圖13 安全點(diǎn)集點(diǎn)云及備選采樣點(diǎn)分布Fig.13 Safe point cloud and alternative sampling points distribution

設(shè)可采點(diǎn)選取數(shù)為10，采樣器（除需接觸部位外）與月面的最小安全間距ds=20 mm，采樣器最大滾動(dòng)角β=3°，采樣器最大俯仰角α=5°，按式（8）可得一組數(shù)字可采點(diǎn)，如圖13 中標(biāo)示點(diǎn)，利用地面重建地形進(jìn)行提前物理驗(yàn)證確認(rèn)數(shù)字可采點(diǎn)正確性后，作為月面表取采樣備選采樣點(diǎn)（與數(shù)字可采點(diǎn)相同），如表1 所示。

表1 備選采樣點(diǎn)中心信息Tab.1 The center of alternative sampling points

通過(guò)監(jiān)視相機(jī)獲得月面圖像，經(jīng)相機(jī)可視區(qū)分析與重構(gòu)、有約束機(jī)械臂可達(dá)區(qū)計(jì)算與分析、數(shù)字可采點(diǎn)搜索、地面1∶1 提前物理驗(yàn)證實(shí)施等多個(gè)環(huán)節(jié)處理，地面重建地形平均精度優(yōu)于1 cm，確定了備選采樣點(diǎn)，集合分析、仿真與物理驗(yàn)證的采樣點(diǎn)選擇過(guò)程用時(shí)約3.5 h。從圖13 所示備選采樣點(diǎn)可見，由于周向安全間距不小于15 cm 的保證，采樣器可在以備選采樣點(diǎn)為中心的虛線區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。嫦娥五號(hào)月面表取采樣實(shí)施過(guò)程中，以備選采樣點(diǎn)1，2，3 為中心，并沿周向小幅度移動(dòng)實(shí)施了月面表取采樣活動(dòng)，具體如表2所示。

表2 相對(duì)備選采樣點(diǎn)中心移動(dòng)情況Tab.2 Shift distance versus alternative sampling points

從表中可見，采樣實(shí)施點(diǎn)相對(duì)中心點(diǎn)的周向最大移動(dòng)距離為13 cm。嫦娥五號(hào)在16 h 內(nèi)，圓滿完成了12 次月球表面采樣工作，安全可靠地獲取了月球樣品，在軌驗(yàn)證了大尺度采樣器采樣點(diǎn)選擇的正確性。

8 結(jié)論

嫦娥五號(hào)具備月面多點(diǎn)表取采樣能力，確定安全可靠的采樣點(diǎn)是表取采樣任務(wù)順利完成的重要保證。

本文結(jié)合嫦娥五號(hào)表取采樣工作過(guò)程，提出了斜側(cè)安裝的監(jiān)視相機(jī)可視區(qū)分析方法，并實(shí)施了三維數(shù)字地形重構(gòu)，根據(jù)嫦娥五號(hào)構(gòu)型布局特點(diǎn)，構(gòu)建了表取采樣可達(dá)約束條件，開展了可視可達(dá)區(qū)分析，并基于大尺度采樣器，提出了數(shù)字仿真分析與物理實(shí)物驗(yàn)證相結(jié)合的采樣點(diǎn)選擇方法。嫦娥五號(hào)月面工作期間，通過(guò)分析、仿真與物理驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了平均精度優(yōu)于1 cm 的物理地形重建，確定了周向安全間距不小于15 cm、縱向安全間距不小于2 cm 的采樣點(diǎn)族，并成功應(yīng)用于嫦娥五號(hào)月面表取采樣活動(dòng)，為月球淺表層樣品采集提供了有效支撐。