[发明专利]一种软着陆避障模拟试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种半物理仿真试验系统，特别是一种用于月面障碍识别与避障控制方案地面验证的、建设于试验室内的模拟试验系统，可应用于月球及深空天体软着陆制导、导航与控制（GNC）方案的地面试验验证。

背景技术

二十世纪六七十年代，美国的Apollo和Surveyor以及苏联的Luna先后多次实现了月球软着陆探测任务。设计一套可靠有效的月球软着陆制导、导航与控制方案，并使其在地面上得以充分有效验证是月球软着陆成功与否的关键。随着计算机和数学仿真技术的进一步发展，目前基于常规敏感器的地球卫星GNC算法大都可以通过数学仿真得以有效验证。而对于以月球或其他天体为中心引力体的软着陆探测任务来说，其重力场与周围环境以及导航手段等都与地球卫星有显著差异，而且月球和其他天体表面地形复杂未知，对飞行器的着陆安全性将带来未知风险。因此，需要考虑通过半实物或者全实物仿真系统来对GNC方案加以验证。最早的Apollo载人登月是通过宇航员目测来规避障碍，实现安全软着陆的。对于当前的无人月球软着陆和其他天体软着陆来说，则可以利用高精度的成像敏感器获得天体表面地形信息，从而实现自主安全软着陆。

Bellman和Matranga为Apollo计划设计了一种称为LLRV（Lunar Landing Research Vehicle）的全实物仿真验证系统。该系统通过一个喷气发动机提供5/6的自身重力以模拟月球重力环境，由其他推力发动机充当软着陆制动发动机，用来验证几百米以下最终着陆过程的GNC方案。但由于该系统主要任务是为宇航员提供一个地面手动操作训练的平台，因而其包括重量和推力系统在内的很多部件都与Apollo登月舱不同；并且，该试验系统也无法用于自主实现月球软着陆GNC方案的验证。

日本的月球软着陆计划——“月神”（SELenological and Engineering Explorer，SELENE）同样采用了一个全实物的飞行验证平台（Fly Test Bed，FTB）来对GNC算法和敏感器设备的功能性能进行验证。该试验系统借鉴了Apollo的LLRV方案，通过一个喷气发动机模拟月球重力环境，其验证范围也是距离月面几百米以下的最终着陆过程。该试验系统验证了包括测距、测速以及IMU等导航敏感器，但却无法验证悬停过程的三维成像敏感器及平移避障控制策略。

国内在月球软着陆制导、导航与控制方案地面验证方面，公开号为CN101122780A，名称为《月球软着陆制导、导航与控制半物理仿真试验系统》的专利公开了一种试验系统，通过一个安装在横向导轨上的沙盘屏的三维平动以及固定在地面上的三轴机械转台的三轴转动来模拟探测器相对月面的六自由度运动。由于场地限制，该系统纵向最大可移动距离为10m左右，通过1：10缩比的方式实现悬停、避障和缓速下降过程GNC方案和算法的地面半物理验证。该系统是国内第一套用于月球软着陆GNC方案验证的试验系统，但由于其受条件限制，尚存在如下不足之处：（1）模拟月面地形的沙盘采用缩比方式建造，而由于着陆导航敏感器的测量特性并非完全线性，因此不能全面测试着陆导航敏感器相对测量和成像的真实工作性能；（2）三维平动运动的位置和速度也需要缩比，因而无法为成像敏感器提供真实的动态工作环境；（3）没有真实模拟各敏感器（包括常规敏感器和着陆导航敏感器）与控制计算机之间的接口，因此各接口之间的传输时序和延迟对控制方案的影响无法验证；（4）模拟探测器六自由度运动的设备由固定在地面上的三轴转台和置于导轨上的沙盘屏分别完成，试验效果不够直观。因此，该试验系统难以实现软着陆悬停、避障和缓速下降过程1：1的真实月面成像、障碍识别和六自由度避障控制方案的全面有效的地面模拟验证。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可进行1：1动态模拟的、用于月球及深空天体软着陆GNC方案和敏感器性能验证的半物理仿真试验系统。

本发明的技术解决方案是：一种软着陆避障模拟试验系统，包括六自由度运动模拟装置、高仿真月面模拟沙盘屏、GNC模拟计算机、敏感器与执行机构模拟接口箱、动力学仿真计算机、地面试验总控计算机，其中：