[发明专利]一种软着陆自主障碍规避常推力器控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种软着陆自主障碍规避常推力器控制方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

随着行星际探测任务的日益增多，探测器飞越、绕飞以及软着陆目标天体已经成为未来深空科学探测的重要任务和课题。为了能够对更具科学价值的区域进行研究和采样，希望探测器能够在具有多样地貌（岩石、弹坑和陡坡）的危险区域安全着陆。由于深空探测任务中目标天体与地球距离遥远，存在较长的通讯延迟，而障碍规避过程对探测器实时机动能力有较高要求，因此，探测器需具备自主障碍规避的能力。着陆过程中需要采用光学导航、高度计等多种传感器确定当前状态，而由于姿态的剧烈变化会严重影响测量精度，引发碰撞危险，因此自主障碍规避过程同时要稳定探测器姿态。由于目前探测器姿态和轨道控制过程均是采用常推力推力器实现，因此制导系统给出连续的推力和力矩要通过推力器的开关来实现。因此完成真正意义上的深空探测器软着陆障碍规避控制器要充分考虑实际情况的影响。目前已实施任务中仍没有进行过障碍规避控制，而软着陆障碍规避的控制技术是直接关系到深空探测任务危险地区着陆的关键技术，对任务的成败有重要作用，因此深空探测器软着陆自主障碍规避的控制方法是当前各国航天科研部门终点发展的研究方向之一。

在已发展的深空探测器软着陆自主障碍规避控制方法中，在先技术[1]（参见朱圣英、崔平远、崔祜涛,基于LIDAR的月球软探测器障碍检测规避方法，中国宇航学会深空探测技术专业委员会第三届学术会议,中国陕西西安,2006年11月），研究了基于激光扫描雷达进行障碍检测并进行障碍规避的控制算法。该算法根据LIDAR数据拟合出着陆区地形平面，并检测出障碍的类型、位置、大小等信息。将障碍对探测器的威胁表达成了危险势函数的形式，通过李雅普诺夫方法设计了控制律。由于控制过程考虑了障碍的威胁，因此这种控制方法能有效的避开障碍，但是在推力器实现的过程中，通过采用对控制律分段积分，然后将常推力等效逼近的方式实现，其中积分过程降低了该算法的执行效率。

在先技术[2]（参见Edward C.Wong and Gurkirpal Singh et al.,Guidance and Control Design for Hazard Avoidance and Safe Landing onMars[J].Journal of Spacecraft And Rockets,2006,43(2):378-384），美国NASA下属JPL实验室与约翰逊空间中心联合开发的一套探测器着陆过程中的障碍规避控制算法。该套算法中所利用的障碍规避控制方法仍然是采用事先选择出着陆点，利用导航系统给出的探测器当前位置与速度信息规划规避轨迹，该轨迹也是通过多项式的形式完成两点边值问题。该控制方法是采用位置三次多项式的形式，每隔一段时间便利用导航信息进行轨迹规划，在规划间隔的时间内控制探测器沿上一条规划轨迹下降。该算法在保留了算法简单、计算时间少等特点外，还具有一定的鲁棒性，但是该算法采用的是变推力发动机，实际工程实现有较大的难度。

发明内容

本发明的目的是针对现有软着陆障碍规避控制方法存在的变推力器工程实现难，常规积分等效方法影响控制方法执行效率等问题，提供了一种软着陆自主障碍规避常推力器控制方法，易于工程实现、有较高控制精度。

本发明的技术方案为：首先利用探测器下降过程中的光学相机以及自带的障碍检测装置形成的地表障碍信息选择目标着陆点。然后利用光学相机以及高度计、速度计等导航设备获取当前探测器位置以及姿态信息，并建立含推力器的动力学方程；根据事先确定的障碍规避轨迹建立参考动力学方程。最后，通过稳定误差动力学方程，实时控制常推力器开关，完成跟踪标称轨迹，使探测器安全、平稳下降到目标着陆区域。

一种软着陆自主障碍规避常推力器控制方法，具体实现步骤如下：

步骤1，在探测器下降过程中，测得障碍的位置xi,yi和大小zi。根据障碍分布，确定目标着陆点。

步骤2，在探测器本体系下三个主轴正反方向各安置一个常推力推力器，共布设六个推力器；分析打开推力器生成力的情况，建立包含推力器的系统动力学模型: