一種軟著陸自主障礙規避常推力器控制方法技術

本發明專利技術涉及一種軟著陸自主障礙規避常推力器控制方法，屬于深空探測技術領域。本發明專利技術首先利用探測器下降過程中的光學相機以及自帶的障礙檢測裝置形成的地表障礙信息選擇目標著陸點。然后利用光學相機以及高度計、速度計等導航設備獲取當前探測器位置以及姿態信息，并建立含推力器的動力學方程；根據事先確定的障礙規避軌跡建立參考動力學方程。最后，通過穩定誤差動力學方程，實時控制常推力器開關，完成跟蹤標稱軌跡，使探測器安全、平穩下降到目標著陸區域。具有算法簡單、計算量小且控制精度高、燃料消耗少的特點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及，屬于深空探測

技術介紹
隨著行星際探測任務的日益增多，探測器飛越、繞飛以及軟著陸目標天體已經成為未來深空科學探測的重要任務和課題。為了能夠對更具科學價值的區域進行研究和采樣，希望探測器能夠在具有多樣地貌(巖石、彈坑和陡坡)的危險區域安全著陸。由于深空探測任務中目標天體與地球距離遙遠，存在較長的通訊延遲，而障礙規避過程對探測器實時機動能力有較高要求，因此，探測器需具備自主障礙規避的能力。著陸過程中需要采用光學導航、高度計等多種傳感器確定當前狀態，而由于姿態的劇烈變化會嚴重影響測量精度，引發碰撞危險，因此自主障礙規避過程同時要穩定探測器姿態。由于目前探測器姿態和軌道控制過程均是采用常推力推力器實現，因此制導系統給出連續的推力和力矩要通過推力器的開關來實現。因此完成真正意義上的深空探測器軟著陸障礙規避控制器要充分考慮實際情況的影響。目前已實施任務中仍沒有進行過障礙規避控制，而軟著陸障礙規避的控制技術是直接關系到深空探測任務危險地區著陸的關鍵技術，對任務的成敗有重要作用，因此深空探測器軟著陸自主障礙規避的控制方法是當前各國航天科研部門終點發展的研究方向之一。在已發展的深空探測器軟著陸自主障礙規避控制方法中，在先技術(參見朱圣英、崔平遠、崔祜濤，基于LIDAR的月球軟探測器障礙檢測規避方法，中國宇航學會深空探測技術專業委員會第三屆學術會議，中國陜西西安，2006年11月)，研究了基于激光掃描雷達進行障礙檢測并進行障礙規避的控制算法。該算法根據LIDAR數據擬合出著陸區地形平面，并檢測出障礙的類型、位置、大小等信息。將障礙對探測器的威脅表達成了危險勢函數的形式，通過李雅普諾夫方法設計了控制律。由于控制過程考慮了障礙的威脅，因此這種控制方法能有效的避開障礙，但是在推力器實現的過程中，通過采用對控制律分段積分，然后將常推力等效逼近的方式實現，其中積分過程降低了該算法的執行效率。在先技術(參見Edward C. Wong and Gurkirpal Singh et al. , Guidance and Control Design for Hazard Avoidance and Safe Landing onMars. Journal of Spacecraft And Rockets, 2006, 43(2) : 378-384)，美國 NASA 下屬 JPL 實驗室與約翰遜空間中心聯合開發的一套探測器著陸過程中的障礙規避控制算法。該套算法中所利用的障礙規避控制方法仍然是采用事先選擇出著陸點，利用導航系統給出的探測器當前位置與速度信息規劃規避軌跡，該軌跡也是通過多項式的形式完成兩點邊值問題。該控制方法是采用位置三次多項式的形式，每隔一段時間便利用導航信息進行軌跡規劃，在規劃間隔的時間內控制探測器沿上一條規劃軌跡下降。該算法在保留了算法簡單、計算時間少等特點外，還具有一定的魯棒性，但是該算法采用的是變推力發動機，實際工程實現有較大的難度。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對現有軟著陸障礙規避控制方法存在的變推力器工程實現難， 常規積分等效方法影響控制方法執行效率等問題，提供了，易于工程實現、有較高控制精度。本專利技術的技術方案為首先利用探測器下降過程中的光學相機以及自帶的障礙檢測裝置形成的地表障礙信息選擇目標著陸點。然后利用光學相機以及高度計、速度計等導航設備獲取當前探測器位置以及姿態信息，并建立含推力器的動力學方程；根據事先確定的障礙規避軌跡建立參考動力學方程。最后，通過穩定誤差動力學方程，實時控制常推力器開關，完成跟蹤標稱軌跡，使探測器安全、平穩下降到目標著陸區域。—種軟著陸自主障礙規避常推力器控制方法，具體實現步驟如下步驟1，在探測器下降過程中，測得障礙的位置xi，yi和大小zi。根據障礙分布， 確定目標著陸點。步驟2，在探測器本體系下三個主軸正反方向各安置一個常推力推力器，共布設六個推力器；分析打開推力器生成力的情況，建立包含推力器的系統動力學模型權利要求1.ー種軟著陸自主障礙規避常推力器控制方法，其特征在于包括以下步驟 步驟1，根據障礙分布，確定目標著陸點； 步驟2，在探測器本體系下三個主軸正反方向各安置ー個常推力推力器；分析打開推力器生成力的情況，建立包含推力器的系統動力學模型 p=h(p,p)+—(I) 其中，見為探測器當前位置向量2 を分別為探測器當前位置向量的一階導數和ニ階導數,h(p,/j)=g，g為目標天體產生的引力加速度；探測器本體坐標系到著陸點坐標系的轉換矩陣z矣(-g)= %(g)，著陸點坐標系到探測器本體坐標系的轉換矩陣 O —ぴ3 び·1Vv {σ\ = / , 82-4(g''gM] m為探測器的質量，= σ3 O -σ, ’_2_=1 _ 3x3 (I + σ/σ):-σ2 Cr1 Oτ為修正羅德里格參數表達的當前姿態量； 探測器本體坐標系下生成推力sFc為 sFc=UaHU⑵ '-1 O 0 10 0' 其中Ua為常推力大小,ガ=0-10010 U=Iiu1, u2，u3，u4，u5，u6，]τ為推力器 O O -10 0 1JF關狀態向量，其中第i個元素イミ!^，i=l，2，…，6 ; 步驟3，根據當前位置到著陸點的規劃軌跡，形成參考動力學方程 Pm+^iPm+^ P =Ii⑶ 其中，IP。為參考動力學方程的輸入量，I為輸出的三維參考位置向量，色,、色/分別為輸出的三維參考速度向量和參考加速度向量，K1, K2是3X3的対稱的正定矩陣； 步驟4，將動力學模型和參考動力學模型做差，定義狀態誤差變量ε =l_lm，c-[e幻へ得到線性跟蹤誤差方程 ￡ =イ ￡ + />\σ)(//// - to)(4) Γ O3x3 O3x3 ' 其中メ—；ImP+PAm^-Q,L ァパ Ppy \ = ρ(φ)=7為？的函數，Ψι r fUa O O丫 Yplφ= φ2 = ο ua ο γρ2(t>;いO uJレ。3 當δ F彡O吋，Λ〈O，則無需打開推力器； 當ら〈O時，設計推力器控制量 a)初始化新向量金、f，n，令η=0,φ = 0 = φ b)令、取受向量中絕對值最大的元素，j為絕對值最大的量在向量中的位置，j的取值范圍為1，2，3 ;然后令金向量中的元素色=4#/ニ0 ; c)計算良= ρ(Φ)；へ [I瓦,<0 d)n= n+l,計算，「 ^ ββア其中肩;ル)=j為切換函 を=^(βρ ) Μβρ1)…況‘)，O βρι > O數；e)如果Λ〈O或η>3，則停止，輸出當前的推力器控制向量^ = [^(.βρ1)美)…況成,6ざ，否則，返回W ; 步驟5，將步驟4得到的#輸入步驟2中包含推力器開關的系統動力學模型，對探測器進行實時控制，完成基于常推力器開關的障礙規避軌跡跟蹤.2.根據權利要求1所述的ー種軟著陸自主障礙規避常推力器控制方法，其特征在于所述探測器本體坐標系Σ s: Os-XsJsZs,其原點Os在探測器的質心處，OsXs軸、OJs軸及OsZs軸分別與探測器的三個慣量主軸重合，該坐標系反映著陸過程中探測器的空間姿態； 所述著陸點坐標系Σ ^O1-X1Y1Z1,其原點本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種軟著陸自主障礙規避常推力器控制方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟1，根據障礙分布，確定目標著陸點；步驟2，在探測器本體系下三個主軸正反方向各安置一個常推力推力器；分析打開推力器生成力的情況，建立包含推力器的系統動力學模型:ρ‾··=h(ρ,ρ·)+1mRSL(σ‾)FCS---(1)其中，ρ為探測器當前位置向量，分別為探測器當前位置向量的一階導數和二階導數，g為目標天體產生的引力加速度；探測器本體坐標系到著陸點坐標系的轉換矩陣著陸點坐標系到探測器本體坐標系的轉換矩陣m為探測器的質量，[σ‾~]=0-σ3σ2σ30-σ1-σ2σ10,σ=[σ1?σ2?σ3]T為修正羅德里格參數表達的當前姿態量；探測器本體坐標系下生成推力sFC為：sFC=uaHu????????????????????????????(2)其中ua為常推力大小，H=-1001000-1001000-1001,u=[u1,u2,u3,u4,u5,u6,]T為推力器開關狀態向量，其中第i個元素i=1,2,…,6；步驟3，根據當前位置到著陸點的規劃軌跡，形成參考動力學方程ρ‾··m+K1ρ‾··m+K2ρ‾m=v‾ρc---(2)其中，vρc為參考動力學方程的輸入量，ρm為輸出的三維參考位置向量，分別為輸出的三維參考速度向量和參考加速度向量，K1，K2是3×3的對稱的正定矩陣；步驟4，將動力學模型和參考動力學模型做差，定義狀態誤差變量ε=ρ?ρm，e=ϵϵ·T,得到線性跟蹤誤差方程：e‾·=Ame‾+B(σ‾)(Hu‾-ω‾)---(4)其中Am=03×3I3×3-K1-K2;B(σ‾)=03×303×31mRSL(σ‾)03×3;ω=mLRs(?σ)(vρc?vρl)；v‾ρl=h(ρ,ρ.)+K1ρ.+K2ρ;計算Δ=βρTu‾-δF---(5)其中βρT=uaγρTHF,δF=γρTω‾,γρT=1me‾TKρTRSL(σ‾),給定任意正定矩陣矩陣Q，則根據AmTP+PAm=-Q,求得正定對稱矩陣P=Pρ1Pρ2Pρ2Pρ3,Kρ=[Pρ2?Pρ3]；為的函數，當δF≥0時，Δu‾^=S(β^ρ1)S(β^ρ2)...S(β^ρ6)T,其中S(β^ρi)=1β^ρi<00β^ρi≥0為切換函數；e)如果Δ3，則停止，輸出當前的推力器控制向量u‾^=S(β^ρ1)S(β^ρ2)...S(β^ρ6)T,否則，返回b)；步驟5，將步驟4得到的輸入步驟2中包含推力器開關的系統動力學模型，對探測器進行實時控制，完成基于常推力器開關的障礙規避軌跡跟蹤.FDA00002495407400012.jpg,FDA00002495407400013.jpg,FDA00002495407400014.jpg,FDA00002495407400015.jpg,FDA00002495407400018.jpg,FDA000024954074000110.jpg,FDA000024954074000111.jpg,FDA000024954074000211.jpg,FDA00002...

【技術特征摘要】

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