[发明专利]柔性连接约束下多节点分布式滤波估计方法

说明书

本发明公开的一种柔性连接约束下多节点分布式滤波估计方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：通过选取相邻节点中可观度最大的节点，利用其估计状态建立柔性连接约束，形成分布式滤波估计的约束最小二乘问题；利用KKT条件分析不等式约束转化为等式约束需要满足的条件，将柔性连接约束由不等式约束转化为等式约束，避免寻优过程在不等式约束影响下陷入局部最优，通过约束局部线性化，得到节点状态估计均值与估计误差协方差的解析表达式，实现柔性着陆器节点状态的高效估计，生成符合柔性连接物理特性的状态估计结果；此外，本发明还通过迭代估计降低非线性约束线性化误差，进一步提高柔性着陆器节点状态估计精度。

技术领域

本发明涉及一种柔性连接约束下多节点分布式滤波估计方法，属于深空探测技术领域。

背景技术

考虑到传统刚性着陆器在接触小天体表面时易发生倾覆、反弹，导致附着任务具有较强不确定性，有学者提出采用面状外形的柔性着陆器实施小天体表面附着，通过增大着陆器与小天体的接触面积避免倾覆，并通过柔性材料消耗碰撞后的残余动能避免反弹，为实现高可靠、强适应小天体表面着陆提供了新的解决思路。

柔性着陆器为无穷维分布参数系统，为了便于导航与控制方法设计，研究中常采用三节点的最简配置作为柔性着陆器的简化模型。节点间通过柔性材料连接，相对距离在给定范围内变化，其数学形式为包含两节点状态的非线性不等式约束。在柔性附着状态估计问题中引入柔性连接约束，能够剔除不满足约束的大偏差估计结果，提高滤波估计的收敛速度。

已有方法中，在获得节点状态估计基础上，通过求解带柔性连接约束的最小二乘问题，对三个节点的估计状态进行修正，采用的是一种集中式的协同修正思想。然而该方法仅能对节点状态估计均值进行修正，无法修正估计误差协方差。同时，由于柔性连接约束是一个非凸约束，采用常规非线性规划方法求解易陷入局部最优。

发明内容

本发明主要目的是提供一种柔性连接约束下多节点分布式滤波估计方法，通过选取相邻节点中可观度最大的节点，利用其估计状态建立柔性连接约束，形成分布式滤波估计的约束最小二乘问题；利用KKT(Karush–Kuhn–Tucker)条件分析不等式约束转化为等式约束需要满足的条件，将柔性连接约束由不等式约束转化为等式约束，避免寻优过程在不等式约束影响下陷入局部最优，通过约束局部线性化，得到节点状态估计均值与估计误差协方差的解析表达式，实现柔性着陆器节点状态的高效估计，生成符合柔性连接物理特性的状态估计结果；此外，本发明还通过迭代估计降低非线性约束线性化误差，进一步提高柔性着陆器节点状态估计精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的柔性连接约束下多节点分布式滤波估计方法，包括如下步骤：

步骤一、针对柔性连接约束下多节点状态估计需求，通过选取相邻节点中可观度最大的节点，利用其估计状态建立柔性连接约束，形成分布式滤波估计的约束最小二乘问题。

柔性着陆器上安装有M个敏感器节点。节点i(i1,...,M)的状态方程为

其中x_i,t为t时刻节点i的状态，x_i,t-1为t-1时刻节点i的状态，u_i,t为t时刻节点i控制量，f_i(·)为状态转移方程，q_i,t为系统噪声。观测方程为

z_i,th_i(x_i,t)+w_i,t   (2)

其中z_i,t为t时刻节点i的观测量，h_i(·)为观测方程，w_i,t为观测噪声。根据公式(1)和公式(2)，采用非线性滤波方法得到t时刻节点i估计状态和估计误差协方差P_i,t。