[发明专利]一种软着陆自主障碍规避常推力器控制方法

摘要

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。本发明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。具有算法简单、计算量小且控制精度高、燃料消耗少的特点。

主权项

1.一种软着陆自主障碍规避常推力器控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，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；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:ρ‾··=h(ρ,ρ·)+1mRSL(σ‾)FCS---(1)]]>其中，ρ为探测器当前位置向量，分别为探测器当前位置向量的一阶导数和二阶导数，g为目标天体产生的引力加速度；探测器本体坐标系到着陆点坐标系的转换矩阵着陆点坐标系到探测器本体坐标系的转换矩阵m为探测器的质量，[σ‾~]=0-σ3σ2σ30-σ1-σ2σ10,]]>σ=[σ₁ σ₂ σ₃]^T为修正罗德里格参数表达的当前姿态量；探测器本体坐标系下生成推力^sF_C为：^sF_C=u_aHu(2)其中u_a为常推力大小，H=-1001000-1001000-1001,]]>u=[u₁,u₂,u₃,u₄,u₅,u₆,]^T为推力器开关状态向量，其中第i个元素i=1,2,…,6；步骤3，根据当前位置到着陆点的规划轨迹，形成参考动力学方程ρ‾··m+K1ρ‾··m+K2ρ‾m=v‾ρc---(2)]]>其中，v_ρc为参考动力学方程的输入量，ρ_m为输出的三维参考位置向量，分别为输出的三维参考速度向量和参考加速度向量，K₁，K₂是3×3的对称的正定矩阵；步骤4，将动力学模型和参考动力学模型做差，定义状态误差变量ε=ρ-ρ_m，e=ϵϵ·T,]]>得到线性跟踪误差方程：e‾·=Ame‾+B(σ‾)(Hu‾-ω‾)---(4)]]>其中Am=03×3I3×3-K1-K2;]]>B(σ‾)=03×303×31mRSL(σ‾)03×3;]]>ω=m^LR_s(-σ)(v_ρc-v_ρl)；v‾ρl=h(ρ,ρ.)+K1ρ.+K2ρ;]]>计算Δ=βρTu‾-δF---(5)]]>其中βρT=uaγρTHF,]]>δF=γρTω‾,]]>γρT=1me‾TKρTRSL(σ‾),]]>给定任意正定矩阵矩阵Q，则根据AmTP+PAm=-Q,]]>求得正定对称矩阵P=Pρ1Pρ2Pρ2Pρ3,]]>K_ρ=[P_ρ2 P_ρ3]；为的函数，当δ_F≥0时，Δ<0，则无需打开推力器；当δ_F<0时，设计推力器控制量：a)初始化新向量n，令n=0,b)令A_j取向量中绝对值最大的元素，j为绝对值最大的量在向量中的位置，j的取值范围为1,2,3；然后令向量中的元素c)计算d)n＝n+1,计算u‾^=S(β^ρ1)S(β^ρ2)...S(β^ρ6)T,]]>其中S(β^ρi)=1β^ρi<00β^ρi≥0]]>为切换函数；e)如果Δ<0或n>3，则停止，输出当前的推力器控制向量u‾^=S(β^ρ1)S(β^ρ2)...S(β^ρ6)T,]]>否则，返回b)；步骤5，将步骤4得到的输入步骤2中包含推力器开关的系统动力学模型，对探测器进行实时控制，完成基于常推力器开关的障碍规避轨迹跟踪.