一种基于碰撞概率的行星着陆障碍规避控制方法技术

本发明专利技术公开的一种基于碰撞概率的行星着陆障碍规避控制方法，涉及一种行星着陆障碍规避控制方法，属于深空探测领域。本发明专利技术的实现方法为，建立系统动力学方程；构建李雅普诺夫函数中关于目标点的势场函数，保证探测器趋近于目标着陆点，同时满足目标着陆速度；引入探测器位置的协方差矩阵，计算探测器与各障碍区域的碰撞概率；基于碰撞概率构建李雅普诺夫函数，利用李雅普诺夫稳定性原理求取控制加速度，利用求取的加速度控制探测器着陆轨迹，降低行星表面多扰动、不确知环境对探测器障碍规避控制的影响，对行星表面的复杂障碍进行有效规避，实现自主安全精确着陆。本发明专利技术还具有鲁棒性好和高实时性的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种行星着陆障碍规避控制方法，尤其涉及一种基于碰撞概率的行星着陆障碍规避控制方法，属于深空探测领域。
技术介绍
小天体着陆障碍规避问题是小天体着陆探测的重要问题，关系小天体着陆任务的成败和小天体探测器的安全。由于小天体形状不规则且表面曲率较大，可供小天体着陆的区域一般面积较小。同时，小天体表面崎岖不平，且存在大量的陨石坑、岩石、斜坡、山丘等，对小天体探测器的安全构成直接威胁。由于小天体环境不确定性较大，且测绘精度有限，探测器在着陆过程中需对目标区域进行障碍检测，并对检测到的障碍进行有效规避，以实现自主安全着陆。在先技术[1](参见Lopez,Ismael,McInnes,Colin R.Autonomous rendezvous using artificial potential function guidance[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,1995,18(2):237-241.)，针对自主交会对接问题，提出了一种人工势函数制导控制方法，在实现自主交会的同时，能够对多处障碍进行规避。在先技术[2](参见Zhu S Y,Cui P Y,Hu H J,Hazard detection and avoidance for planetary landing based on Lyapunov control method[C].Intelligent Control and Automation.Beijing:[s.n.],2012)，采用势函数控制方法研究了小天体着陆障碍规避问题，根据探测器当前的势能与障碍地形对探测器的威胁选取李雅普诺夫函数，并通过李雅普诺夫稳定性原理推导稳定控制律，因而能够保证探测器到达目标点的同时有效降低碰撞的概率。适应行星表面环境的不确知特点，对行星表面的复杂障碍进行有效规避，提高障碍规避的鲁棒性和可靠性，上述技术问题是行星着陆障碍规避方法需要进一步改进的技术问题。
技术实现思路
本专利技术公开的一种基于碰撞概率的行星着陆障碍规避控制方法，要解决的技术问题是降低行星表面多扰动、不确知环境对探测器障碍规避控制的影响，对行星表面的复杂障碍进行有效规避，实现自主安全精确着陆。此外，本专利技术还具有鲁棒性好和高实时性的优点。本专利技术的目的是通过以下方法实现的。本专利技术公开的一种基于碰撞概率的行星着陆障碍规避控制方法，建立系统动力学方程。构建李雅普诺夫函数中关于目标点的势场函数，保证探测器趋近于目标着陆点，同时满足目标着陆速度。引入探测器位置的协方差矩阵，计算探测器与各障碍区域的碰撞概率。基于碰撞概率构建李雅普诺夫函数，利用李雅普诺夫稳定性原理求取控制加速度，利用求取的加速度控制探测器着陆轨迹，降低行星表面多扰动、不确知环境对探测器障碍规避控制的影响，对行星表面的复杂障碍进行有效规避，实现自主安全精确着陆。本专利技术公开的一种基于碰撞概率的行星着陆障碍规避控制方法，包括如下步骤：步骤一、建立系统动力学方程。在着陆点固联坐标系下建立探测器的动力学方程： r · = v v · = g - 2 ω × v - ω × ω × r + a - - - ( 1 ) ]]>其中r＝[x,y,z]T为探测器在着陆点坐标系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T为探测器的速度矢量，ω为目标天体自转角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T为探测器受到的目标天体引力加速度，a为施加的控制加速度。步骤二、构建步骤四李雅普诺夫函数中关于目标点的势场函数φq，保证探测器趋近于目标着陆点，同时满足目标着陆速度。构建关于目标点的势场函数φqφq＝(x-xt)TQ(x-xt) (2)其中x＝[x,y,z,vx,vy,vz]T为探测器状态变量，xt为目标状态，Q为以qi＞0,i＝1,...,6为对角线的对角矩阵。上式表示的势场，存在唯一的极小值点，为目标着陆状态xt。只要保证探测器状态x沿势场降低的方向前进，探测器将趋近于目标着陆点，同时满足目标着陆速度。步骤三、计算探测器与第i个障碍区域的碰撞概率pi。假设探测器的实际位置符合高斯分布，在着陆点坐标系下的水平位置名义值即均值为rhr＝[x,y]T，协方差矩阵为C。相比于名义位置，探测器处于障碍区域的概率密度比较均匀，则将障碍区内各点的概率密度近似视为相等。将障碍区内各点的概率密度近似为区域中心处的概率密度，则探测器实际位置处于第i个障碍区域，即与第i个障碍区域的碰撞概率为： p i = S i 1 2 π | C | e - 1 2 ( r c i - r h r ) T C - 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于碰撞概率的行星着陆障碍规避控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、建立系统动力学方程；在着陆点固联坐标系下建立探测器的动力学方程：r·=vv·=g-2ω×v-ω×ω×r+a---(1)]]>其中r＝[x,y,z]T为探测器在着陆点坐标系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T为探测器的速度矢量，ω为目标天体自转角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T为探测器受到的目标天体引力加速度，a为施加的控制加速度；步骤二、构建步骤四李雅普诺夫函数中关于目标点的势场函数φq，保证探测器趋近于目标着陆点，同时满足目标着陆速度；构建关于目标点的势场函数φqφq＝(x‑xt)TQ(x‑xt)   (2)其中x＝[x,y,z,vx,vy,vz]T为探测器状态变量，xt为目标状态，Q为以qi＞0,i＝1,...,6为对角线的对角矩阵；上式表示的势场，存在唯一的极小值点，为目标着陆状态xt；只要保证探测器状态x沿势场降低的方向前进，探测器将趋近于目标着陆点，同时满足目标着陆速度；步骤三、计算探测器与第i个障碍区域的碰撞概率pi；假设探测器的实际位置符合高斯分布，在着陆点坐标系下的水平位置名义值即均值为rhr＝[x,y]T，协方差矩阵为C；相比于名义位置，探测器处于障碍区域的概率密度比较均匀，则将障碍区内各点的概率密度近似视为相等；将障碍区内各点的概率密度近似为区域中心处的概率密度，则探测器实际位置处于第i个障碍区域，即与第i个障碍区域的碰撞概率为：pi=Si12π|C|e-12(rci-rhr)TC-1(rci-rhr),i=1,...,k---(3)]]>其中rci为第i个障碍区域中心的位置，Si为小天体表面第i个障碍区域的面积，k为障碍区的数量；步骤四、构建李雅普诺夫函数；根据步骤二中关于目标点的势场函数和步骤三计算的探测器与第i个障碍区域的碰撞概率pi，构建如下形式的李雅普诺夫函数φ：φ=φq+φp=(x-xt)TQ(x-xt)+Σi=1kkipi,i=1,...,k---(4)]]>其中ki＞0为权重系数；步骤五、求取控制加速度a，利用加速度a控制探测器着陆轨迹，降低行星表面多扰动、不确知环境对探测器障碍规避控制的影响，对行星表面的复杂障碍进行有效规避，实现自主安全精确着陆；令aq=-q1(x-xt)-ω2x-2ωvy-gx-κvx/q4-q2(y-yt)-ω2y+2ωvx-gy-κvy/q5-q3(z-zt)-gz-κvz/q6---(5)]]>ap=-Σi=1kkiSi8π|C|e-12(rci-rhr)TC-1(rci-rhr)(C-1(rci-rhr)+C-T(rci-rhr))Qv-1---(6)]]>其中Qv为以qi,i＝4,5,6为对角线的对角矩阵，κ为正实数；障碍规避的控制加速度a为：a＝aq+ap   (7)利用加速度a控制探测器着陆轨迹，降低行星表面多扰动、不确知环境对探测器障碍规避控制的影响，对行星表面的复杂障碍进行有效规避，实现自主安全精确着陆。...

【技术特征摘要】
1.一种基于碰撞概率的行星着陆障碍规避控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、建立系统动力学方程；在着陆点固联坐标系下建立探测器的动力学方程： r · = v v · = g - 2 ω × v - ω × ω × r + a - - - ( 1 ) ]]>其中r＝[x,y,z]T为探测器在着陆点坐标系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T为探测器的速度矢量，ω为目标天体自转角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T为探测器受到的目标天体引力加速度，a为施加的控制加速度；步骤二、构建步骤四李雅普诺夫函数中关于目标点的势场函数φq，保证探测器趋近于目标着陆点，同时满足目标着陆速度；构建关于目标点的势场函数φqφq＝(x-xt)TQ(x-xt) (2)其中x＝[x,y,z,vx,vy,vz]T为探测器状态变量，xt为目标状态，Q为以qi＞0,i＝1,...,6为对角线的对角矩阵；上式表示的势场，存在唯一的极小值点，为目标着陆状态xt；只要保证探测器状态x沿势场降低的方向前进，探测器将趋近于目标着陆点，同时满足目标着陆速度；步骤三、计算探测器与第i个障碍区域的碰撞概率pi；假设探测器的实际位置符合高斯分布，在着陆点坐标系下的水平位置名义值即均值为rhr＝[x,y]T，协方差矩阵为C；相比于名义位置，探测器处于障碍区域的概率密度比较均匀，则将障碍区内各点的概率密度近似视为相等；将障碍区内各点的概率密度近似为区域中心处的概率密度，则探测器实际位置处于第i个障碍区域，即与第i个障碍区域的碰撞概率为： p i = S i 1 2 π | C | e - 1 2 ( r c i - r h r ) T C - 1 ( r c i - r h r ) , i = 1 , ... , k - - - ( 3 ) ]]>其中rci为第i个障碍区域中心的位置，Si为小天体表面第i个障碍区域的面积，k为障碍区的数量；步骤四、构建李雅普诺夫函数；根据步骤二中关于目标点的势场函数和步骤三计算的探测器与第i个障碍区域的碰撞概率pi，构建如下形式的李雅普诺夫函数φ： φ = φ q + φ p = ( x - x t ) T Q ( x - x t ) + Σ i = 1 k k i p i , i = 1 , ... , k - - - ( 4 ) ]]>其中ki＞0为权重系数；步骤五、求取控制加速度a，利用加速度a控制探测器着陆轨迹，降低行星表面多扰动、不确知环境对探测器障碍规避控制的影响，对行星表面的复杂障碍进行有效规避，实现自主安全精确着陆；令 a q = - q 1 ( x - x t ) - ω 2 x -...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔平远，袁旭，朱圣英，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11