一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規避控制方法技術

本發明專利技術公開的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規避控制方法，涉及一種行星著陸障礙規避控制方法，屬于深空探測領域。本發明專利技術的實現方法為，建立系統動力學方程；構建李雅普諾夫函數中關于目標點的勢場函數，保證探測器趨近于目標著陸點，同時滿足目標著陸速度；引入探測器位置的協方差矩陣，計算探測器與各障礙區域的碰撞概率；基于碰撞概率構建李雅普諾夫函數，利用李雅普諾夫穩定性原理求取控制加速度，利用求取的加速度控制探測器著陸軌跡，降低行星表面多擾動、不確知環境對探測器障礙規避控制的影響，對行星表面的復雜障礙進行有效規避，實現自主安全精確著陸。本發明專利技術還具有魯棒性好和高實時性的優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種行星著陸障礙規避控制方法，尤其涉及一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規避控制方法，屬于深空探測領域。
技術介紹
小天體著陸障礙規避問題是小天體著陸探測的重要問題，關系小天體著陸任務的成敗和小天體探測器的安全。由于小天體形狀不規則且表面曲率較大，可供小天體著陸的區域一般面積較小。同時，小天體表面崎嶇不平，且存在大量的隕石坑、巖石、斜坡、山丘等，對小天體探測器的安全構成直接威脅。由于小天體環境不確定性較大，且測繪精度有限，探測器在著陸過程中需對目標區域進行障礙檢測，并對檢測到的障礙進行有效規避，以實現自主安全著陸。在先技術[1](參見Lopez,Ismael,McInnes,Colin R.Autonomous rendezvous using artificial potential function guidance[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,1995,18(2):237-241.)，針對自主交會對接問題，提出了一種人工勢函數制導控制方法，在實現自主交會的同時，能夠對多處障礙進行規避。在先技術[2](參見Zhu S Y,Cui P Y,Hu H J,Hazard detection and avoidance for planetary landing based on Lyapunov control method[C].Intelligent Control and Automation.Beijing:[s.n.],2012)，采用勢函數控制方法研究了小天體著陸障礙規避問題，根據探測器當前的勢能與障礙地形對探測器的威脅選取李雅普諾夫函數，并通過李雅普諾夫穩定性原理推導穩定控制律，因而能夠保證探測器到達目標點的同時有效降低碰撞的概率。適應行星表面環境的不確知特點，對行星表面的復雜障礙進行有效規避，提高障礙規避的魯棒性和可靠性，上述技術問題是行星著陸障礙規避方法需要進一步改進的技術問題。
技術實現思路
本專利技術公開的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規避控制方法，要解決的技術問題是降低行星表面多擾動、不確知環境對探測器障礙規避控制的影響，對行星表面的復雜障礙進行有效規避，實現自主安全精確著陸。此外，本專利技術還具有魯棒性好和高實時性的優點。本專利技術的目的是通過以下方法實現的。本專利技術公開的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規避控制方法，建立系統動力學方程。構建李雅普諾夫函數中關于目標點的勢場函數，保證探測器趨近于目標著陸點，同時滿足目標著陸速度。引入探測器位置的協方差矩陣，計算探測器與各障礙區域的碰撞概率。基于碰撞概率構建李雅普諾夫函數，利用李雅普諾夫穩定性原理求取控制加速度，利用求取的加速度控制探測器著陸軌跡，降低行星表面多擾動、不確知環境對探測器障礙規避控制的影響，對行星表面的復雜障礙進行有效規避，實現自主安全精確著陸。本專利技術公開的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規避控制方法，包括如下步驟：步驟一、建立系統動力學方程。在著陸點固聯坐標系下建立探測器的動力學方程： r · = v v · = g - 2 ω × v - ω × ω × r + a - - - ( 1 ) ]]>其中r＝[x,y,z]T為探測器在著陸點坐標系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T為探測器的速度矢量，ω為目標天體自轉角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T為探測器受到的目標天體引力加速度，a為施加的控制加速度。步驟二、構建步驟四李雅普諾夫函數中關于目標點的勢場函數φq，保證探測器趨近于目標著陸點，同時滿足目標著陸速度。構建關于目標點的勢場函數φqφq＝(x-xt)TQ(x-xt) (2)其中x＝[x,y,z,vx,vy,vz]T為探測器狀態變量，xt為目標狀態，Q為以qi＞0,i＝1,...,6為對角線的對角矩陣。上式表示的勢場，存在唯一的極小值點，為目標著陸狀態xt。只要保證探測器狀態x沿勢場降低的方向前進，探測器將趨近于目標著陸點，同時滿足目標著陸速度。步驟三、計算探測器與第i個障礙區域的碰撞概率pi。假設探測器的實際位置符合高斯分布，在著陸點坐標系下的水平位置名義值即均值為rhr＝[x,y]T，協方差矩陣為C。相比于名義位置，探測器處于障礙區域的概率密度比較均勻，則將障礙區內各點的概率密度近似視為相等。將障礙區內各點的概率密度近似為區域中心處的概率密度，則探測器實際位置處于第i個障礙區域，即與第i個障礙區域的碰撞概率為： p i = S i 1 2 π | C | e - 1 2 ( r c i - r h r ) T C - 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規避控制方法，其特征在于：包括如下步驟，步驟一、建立系統動力學方程；在著陸點固聯坐標系下建立探測器的動力學方程：r·=vv·=g-2ω×v-ω×ω×r+a---(1)]]>其中r＝[x,y,z]T為探測器在著陸點坐標系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T為探測器的速度矢量，ω為目標天體自轉角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T為探測器受到的目標天體引力加速度，a為施加的控制加速度；步驟二、構建步驟四李雅普諾夫函數中關于目標點的勢場函數φq，保證探測器趨近于目標著陸點，同時滿足目標著陸速度；構建關于目標點的勢場函數φqφq＝(x?xt)TQ(x?xt)???(2)其中x＝[x,y,z,vx,vy,vz]T為探測器狀態變量，xt為目標狀態，Q為以qi＞0,i＝1,...,6為對角線的對角矩陣；上式表示的勢場，存在唯一的極小值點，為目標著陸狀態xt；只要保證探測器狀態x沿勢場降低的方向前進，探測器將趨近于目標著陸點，同時滿足目標著陸速度；步驟三、計算探測器與第i個障礙區域的碰撞概率pi；假設探測器的實際位置符合高斯分布，在著陸點坐標系下的水平位置名義值即均值為rhr＝[x,y]T，協方差矩陣為C；相比于名義位置，探測器處于障礙區域的概率密度比較均勻，則將障礙區內各點的概率密度近似視為相等；將障礙區內各點的概率密度近似為區域中心處的概率密度，則探測器實際位置處于第i個障礙區域，即與第i個障礙區域的碰撞概率為：pi=Si12π|C|e-12(rci-rhr)TC-1(rci-rhr),i=1,...,k---(3)]]>其中rci為第i個障礙區域中心的位置，Si為小天體表面第i個障礙區域的面積，k為障礙區的數量；步驟四、構建李雅普諾夫函數；根據步驟二中關于目標點的勢場函數和步驟三計算的探測器與第i個障礙區域的碰撞概率pi，構建如下形式的李雅普諾夫函數φ：φ=φq+φp=(x-xt)TQ(x-xt)+Σi=1kkipi,i=1,...,k---(4)]]>其中ki＞0為權重系數；步驟五、求取控制加速度a，利用加速度a控制探測器著陸軌跡，降低行星表面多擾動、不確知環境對探測器障礙規避控制的影響，對行星表面的復雜障礙進行有效規避，實現自主安全精確著陸；令aq=-q1(x-xt)-ω2x-2ωvy-gx-κvx/q4-q2(y-yt)-ω2y+2ωvx-gy-κvy/q5-q3(z-zt)-gz-κvz/q6---(5)]]>ap=-Σi=1kkiSi8π|C|e-12(rci-rhr)TC-1(rci-rhr)(C-1(rci-rhr)+C-T(rci-rhr))Qv-1---(6)]]>其中Qv為以qi,i＝4,5,6為對角線的對角矩陣，κ為正實數；障礙規避的控制加速度a為：a＝aq+ap???(7)利用加速度a控制探測器著陸軌跡，降低行星表面多擾動、不確知環境對探測器障礙規避控制的影響，對行星表面的復雜障礙進行有效規避，實現自主安全精確著陸。...

【技術特征摘要】
1.一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規避控制方法，其特征在于：包括如下步驟，步驟一、建立系統動力學方程；在著陸點固聯坐標系下建立探測器的動力學方程： r · = v v · = g - 2 ω × v - ω × ω × r + a - - - ( 1 ) ]]>其中r＝[x,y,z]T為探測器在著陸點坐標系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T為探測器的速度矢量，ω為目標天體自轉角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T為探測器受到的目標天體引力加速度，a為施加的控制加速度；步驟二、構建步驟四李雅普諾夫函數中關于目標點的勢場函數φq，保證探測器趨近于目標著陸點，同時滿足目標著陸速度；構建關于目標點的勢場函數φqφq＝(x-xt)TQ(x-xt) (2)其中x＝[x,y,z,vx,vy,vz]T為探測器狀態變量，xt為目標狀態，Q為以qi＞0,i＝1,...,6為對角線的對角矩陣；上式表示的勢場，存在唯一的極小值點，為目標著陸狀態xt；只要保證探測器狀態x沿勢場降低的方向前進，探測器將趨近于目標著陸點，同時滿足目標著陸速度；步驟三、計算探測器與第i個障礙區域的碰撞概率pi；假設探測器的實際位置符合高斯分布，在著陸點坐標系下的水平位置名義值即均值為rhr＝[x,y]T，協方差矩陣為C；相比于名義位置，探測器處于障礙區域的概率密度比較均勻，則將障礙區內各點的概率密度近似視為相等；將障礙區內各點的概率密度近似為區域中心處的概率密度，則探測器實際位置處于第i個障礙區域，即與第i個障礙區域的碰撞概率為： p i = S i 1 2 π | C | e - 1 2 ( r c i - r h r ) T C - 1 ( r c i - r h r ) , i = 1 , ... , k - - - ( 3 ) ]]>其中rci為第i個障礙區域中心的位置，Si為小天體表面第i個障礙區域的面積，k為障礙區的數量；步驟四、構建李雅普諾夫函數；根據步驟二中關于目標點的勢場函數和步驟三計算的探測器與第i個障礙區域的碰撞概率pi，構建如下形式的李雅普諾夫函數φ： φ = φ q + φ p = ( x - x t ) T Q ( x - x t ) + Σ i = 1 k k i p i , i = 1 , ... , k - - - ( 4 ) ]]>其中ki＞0為權重系數；步驟五、求取控制加速度a，利用加速度a控制探測器著陸軌跡，降低行星表面多擾動、不確知環境對探測器障礙規避控制的影響，對行星表面的復雜障礙進行有效規避，實現自主安全精確著陸；令 a q = - q 1 ( x - x t ) - ω 2 x -...

【專利技術屬性】
技術研發人員：崔平遠，袁旭，朱圣英，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11