一种基于动态优化的月球着陆器反推进最优控制器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于动态优化的月球着陆器反推进最优控制器，由月球着陆器高度测量传感器、月球着陆器速度测量传感器、球着陆器微控制单元(MCU)与反推进发动机控制器构成。在MCU中输入反推进发动机参数，月球着陆器到达指定着陆空域后，开启月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器和MCU，测量当前月球着陆器的着陆高度和当前下降速度，MCU根据设定高度和速度参数自动执行内部动态优化算法，既能使月球着陆器安全软着陆又能使着陆器消耗燃料最少，MCU将获得的最优控制策略转换为控制指令发送给反推进发动机控制器。本发明专利技术能够根据月球着陆器的不同高度和速度状态快速地获取最优反推进发动机控制策略，保证月球着陆器的安全着陆。

An optimal controller for lunar lander anti propulsion based on dynamic optimization

The invention discloses an optimal anti propulsion controller for lunar lander based on dynamic optimization, which consists of a lunar lander height measurement sensor, a lunar lander speed measurement sensor, a microcontrol unit (MCU) and an anti propulsion engine controller. Input the anti propulsion engine parameters in MCU. After the lunar lander reaches the designated landing space, the lunar lander height measurement sensor, velocity measurement sensor and MCU are opened to measure the landing height and current descent speed of the lunar lander. MCU automatically performs internal dynamic optimization based on the set height and speed parameters. The method not only makes the lunar lander safe and soft landing, but also makes the landing gear consume the least fuel. The optimal control strategy obtained by the MCU is transferred to the control command to send to the anti propulsion engine controller. The invention can quickly obtain the optimal anti propulsion engine control strategy according to the different height and speed state of the lunar lander, so as to ensure the safe landing of the lunar lander.

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态优化的月球着陆器反推进最优控制器
本专利技术涉及月球着陆器反推进控制领域，主要是一种基于动态优化的月球着陆器反推进发动机控制器。在月球着陆器到达指定着陆空域后能够给出月球着陆器反推进发动机控制指令，使月球着陆器安全软着陆的同时月球着陆器反推进发动机消耗的燃料也最少，以保证月球勘探任务下一步的顺利执行。
技术介绍
美国、欧空局、俄罗斯、日本、印度等国家和地区先后宣布了新的月球探测计划，掀起了继“阿波罗”计划后新一轮探月热潮，与初期的月球探测相比，技术要求也就更高。我国于2004年启动了“探月工程”，根据开展月球探测工程的基本原则，月球探测工程将分为“绕”、“落”、“回”三个阶段实施。在目前实施的阶段中，月球着陆器的软着陆是一项关键技术，也是进行月球勘探的重要前提。然而，由于月球表面没有大气，月球着陆器的减速必须完全由反推进发动机实现，这一过程需要消耗大量燃料，研究表明在动力下降过程中月球着陆器将消耗探月球测器总燃料的80％左右，为了使探测器安全到达月球表面，就需要对下降过程中的制导与控制技术有一定的要求。因此，在考虑燃耗最少和安全着陆的情况下，如何设计一种先进的控制方案在保证月球着陆器安全软着陆的同时使着陆器反推进发动机消耗的燃料也最少非常关键。
技术实现思路
为了得到使月球着陆器安全软着陆的同时着陆器反推进发动机消耗的燃料也最少的月球着陆器控制方案，本专利技术提供一种基于动态优化的月球着陆器反推进发动机控制器。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于动态优化的月球着陆器反推进最优控制器，根据月球着陆器的不同高度和速度状态快速获取最优反推进发动机控制策略，保证月球着陆器的安全着陆同时反推进发动机燃料消耗也最少。由月球着陆器高度测量传感器、月球着陆器速度测量传感器、球着陆器微控制单元(MCU)与反推进发动机控制器构成，各组成部分均由月球着陆器内数据总线连接。所述最优控制器的运行过程包括：步骤1)：在月球着陆器MCU中输入对应于该月球着陆器的反推进发动机参数；步骤2)：到达指定着陆空域后，月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器测和MCU开启，测量当前月球着陆器的着陆高度和下降速度；步骤3)：月球着陆器MCU根据设定高度和速度参数自动执行内部动态优化算法，得到既能使月球着陆器安全软着陆同时又能使着陆器反推进发动机消耗的燃料最少的最优控制策略；步骤4)：月球着陆器MCU将获得的最优控制策略转换为控制指令发送给反推进发动机控制器。所述的月球着陆器MCU部分，包括信息采集模块、初始化模块、常微分方程组(Ordinarydifferentialequations，简称ODE)求解模块、梯度求解模块、非线性规划(Non-linearProgramming，简称NLP)问题求解模块、控制指令输出模块。其中，信息采集模块包括测量当前月球着陆器着陆高度采集、月球着陆器下降速度采集、月球着陆器到达高度设定采集、月球着陆器到达速度采集、月球着陆器反推进发动机性能参数采集五个子模块；NLP求解模块包括寻优方向计算、寻优步长计算、寻优修正、NLP收敛性判断四个子模块。上述的月球着陆器反推进着陆过程最优控制问题可以描述为其中t表示时间，u(t)表示反推进发动机的燃料消耗速率，x(t)表示月球着陆器着陆过程的状态信息，F(x(t),u(t),t)是根据月球着陆器动力学方程建立的微分方程组，表示x(t)的一阶导数，umin表示月球着陆器反推进发动机燃料消耗速率的下限，umax表示月球着陆器反推进发动机燃料消耗速率的最大上限，t0表示月球着陆器反推进发动机开始点火的时间点，x1(t0)为t0时刻月球着陆器的高度，h0表示高度的数值，x2(t0)为t0时刻月球着陆器的速度，v0表示速度的数值，tf表示月球着陆器完成着陆要求的时间点，x1(tf)为tf时刻月球着陆器需要达到的高度，hf表示到达高度的数值，x2(tf)为tf时刻月球着陆器需要达到的速度，vf表示到达速度的数值，J(u(t))表示燃料量消耗最少的目标函数。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：在球着陆器微控制单元(MCU)中集成动态优化算法，在月球着陆器到达指定着陆空域后自动给出月球着陆器反推进发动机控制指令，使月球着陆器安全软着陆的同时着陆器反推进发动机消耗的燃料也最少。月球和地面基站之间存在通讯延迟，因此所述的MCU是一种月球着陆器反推进发动机自动控制信号控制器，包括反推进发动机参数输入模块11，月球着陆器MCU模块12，月球着陆器高度测量传感器13、月球着陆器速度测量传感器14，月球着陆器着陆高度、速度设定模块15，反推进发动机控制器16。所述系统内的各组成部分均由月球着陆器内数据总线连接。所述最优控制器的运行过程如下：步骤1)：将所述控制器安装在某型月球探测器上，并在月球着陆器MCU12中输入对应于探测器的月球着陆器反推进发动机参数11；步骤2)：月球探测器到达月球指定着陆空域后，月球着陆器高度测量传感器13、速度测量传感器测14和月球着陆器MCU12开启，获取当前时刻月球着陆器的初始高度和初始速度信息；步骤3)：月球着陆器MCU12根据预先设定的月球着陆器着陆高度、速度设定模块15获取控制目标信息，MCU模块12执行内部动态优化算法，得到使月球着陆器安全软着陆的同时着陆器反推进发动机消耗的燃料也最少的反推进发动机控制策略；步骤4)：月球着陆器MCU12得到反推进发动机控制策略后转换为控制指令输出给反推进发动机控制器16。集成了动态优化算法的月球着陆器MCU是本专利技术的核心，包括信息采集模块21、初始化模块22、常微分方程组(Ordinarydifferentialequations，简称ODE)求解模块23、梯度求解模块24、非线性规划(Non-linearProgramming，简称NLP)问题求解模块25、控制指令输出模块26。该MCU执行内部动态优化算法得到使月球着陆器安全软着陆的同时着陆器反推进发动机消耗的燃料也最少的反推进发动机控制策略的运行步骤如下：步骤1)：到达指定着陆空域后，月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器测和MCU开启，信息采集模块21获取月球着陆器的着陆高度和速度，同时采集设定的月球着陆器反推进发动机性能参数、月球着陆器到达高度和速度；步骤2)：初始化模块22开始运行，采用分段常量参数化，设置着陆过程的分段数NE、月球着陆器反推进发动机的参数化向量的初始猜测值u(k)，设定计算精度tol，将迭代次数k置零；步骤3)：通过ODE快速求解模块23获取本次迭代的状态信息x(k)(t)和目标函数值J(k)。步骤4)：通过梯度求解模块24获取本次迭代目标函数梯度信息dJ(k)和约束条件梯度信息g(k)。当k＝0时跳过步骤5)直接执行步骤7)；步骤5)：NLP问题求解模块25运行，通过NLP收敛性判断模块进行收敛性判断，如果本次迭代目标函数值J(k)与上一次迭代的目标函数值J(k-1)的绝对值之差小于精度tol，则判断收敛性满足，并将本次迭代的控制策略转换为月球着陆器反推进发动机的控制指令输出至控制策略输出模块26；如果收敛性不满足，则继续执行步骤6)；步骤6)：用u(k),J(k),dJ(k),g(k)的值覆盖上一次迭代u(k-1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动态优化的月球着陆器反推进最优控制器，根据月球着陆器的不同高度和速度状态快速获取最优反推进发动机控制策略，保证月球着陆器的安全着陆同时反推进发动机燃料消耗也最少。其特征在于：由月球着陆器高度测量传感器、月球着陆器速度测量传感器、球着陆器微控制单元(MCU)与反推进发动机控制器构成，各组成部分均由月球着陆器内数据总线连接。所述最优控制器的运行过程包括：步骤1)：在月球着陆器MCU中输入对应于该月球着陆器的反推进发动机参数；步骤2)：到达指定着陆空域后，月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器测和MCU开启，测量当前月球着陆器的着陆高度和下降速度；步骤3)：月球着陆器MCU根据设定高度和速度参数自动执行内部动态优化算法，得到既能使月球着陆器安全软着陆同时又能使着陆器反推进发动机消耗的燃料最少的最优控制策略；步骤4)：月球着陆器MCU将获得的最优控制策略转换为控制指令发送给反推进发动机控制器。所述的月球着陆器MCU部分，包括信息采集模块、初始化模块、常微分方程组(Ordinary differential equations，简称ODE)求解模块、梯度求解模块、非线性规划(Non‑linear Programming，简称NLP)问题求解模块、控制指令输出模块。其中，信息采集模块包括测量当前月球着陆器着陆高度采集、月球着陆器下降速度采集、月球着陆器到达高度设定采集、月球着陆器到达速度采集、月球着陆器反推进发动机性能参数采集五个子模块；NLP求解模块包括寻优方向计算、寻优步长计算、寻优修正、NLP收敛性判断四个子模块。所述的月球着陆器MCU自动产生月球着陆器反推进发动机控制策略的动态优化算法运行步骤如下：步骤1)：到达指定着陆空域后，月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器测和MCU开启，信息采集模块21获取月球着陆器的着陆高度和速度，同时采集设定的月球着陆器反推进发动机性能参数、月球着陆器设定到达高度和速度；步骤2)：初始化模块22开始运行，采用分段常量参数化，设置着陆过程的分段数NE、月球着陆器反推进发动机控制量的参数化向量的初始猜测值u...

【技术特征摘要】
1.一种基于动态优化的月球着陆器反推进最优控制器，根据月球着陆器的不同高度和速度状态快速获取最优反推进发动机控制策略，保证月球着陆器的安全着陆同时反推进发动机燃料消耗也最少。其特征在于：由月球着陆器高度测量传感器、月球着陆器速度测量传感器、球着陆器微控制单元(MCU)与反推进发动机控制器构成，各组成部分均由月球着陆器内数据总线连接。所述最优控制器的运行过程包括：步骤1)：在月球着陆器MCU中输入对应于该月球着陆器的反推进发动机参数；步骤2)：到达指定着陆空域后，月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器测和MCU开启，测量当前月球着陆器的着陆高度和下降速度；步骤3)：月球着陆器MCU根据设定高度和速度参数自动执行内部动态优化算法，得到既能使月球着陆器安全软着陆同时又能使着陆器反推进发动机消耗的燃料最少的最优控制策略；步骤4)：月球着陆器MCU将获得的最优控制策略转换为控制指令发送给反推进发动机控制器。所述的月球着陆器MCU部分，包括信息采集模块、初始化模块、常微分方程组(Ordinarydifferentialequations，简称ODE)求解模块、梯度求解模块、非线性规划(Non-linearProgramming，简称NLP)问题求解模块、控制指令输出模块。其中，信息采集模块包括测量当前月球着陆器着陆高度采集、月球着陆器下降速度采集、月球着陆器到达高度设定采集、月球着陆器到达速度采集、月球着陆器反推进发动机性能参数采集五个子模块；NLP求解模块包括寻优方向计算、寻优步长计算、寻优修正、NLP收敛性判断四个子模块。所述的月球着陆器MCU自动产生月球着陆器反推进发动机控制策略的动态优化算法运行步骤如下：步骤1)：到达指定着陆空域后，月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器测和MCU开启，信息采集模块21获取月球着陆器的着陆高度和速度，同时采集设定的月球着陆器反推进发动机性能参数、月球着陆器设定到达高度和速度；步骤2)：初始化模块22开始运行，采用分段常量参数化，设置着陆过程的分段数NE、月球着陆器反推进发动机控制量的参数化向量的初始猜测值u(k)，设定计算精度tol，将迭代次数k置零；步骤3)：通过ODE快速求解模块23获取本次迭代的状态信息x(k)(t)和目标函数值J(k)。步骤4)：通过梯度求解模块24获取本次迭代目标函数梯度信息dJ(k)和约束条件梯度信息g(k)；当k＝0时跳过步骤5)直接执行步骤7)；步骤5)：NLP问题求解模块25运行，通过NLP收敛性判断模块进行收敛性判断，如果本次迭代得到的J(k)与上一次迭代的目标函数值J(k-1)的绝对值之差小于精度tol，则判断收敛性满足，并将本次迭代的控制策略转换为月球着陆器反推进发动机的控制指令输出至控制策略输出模块26；如果收敛性不满足，则继续执行步骤6)；步骤6)：用u(k),J(k),dJ(k),g(k)的值覆盖上一次迭代u(k-1),J(k-1),dJ(k-1),g(k-1)的值，并将迭代次数k加1；步骤7)：NLP问题求解模块25利用在步骤3)和4)中获得的目标函数值和梯度信息，求解寻优方向和寻优步长，并进行寻优修正，获得比上一次迭代速度控制策略u(k-1)更优的新的速度控制策略u(k)。该步骤执行完成后再次跳转至步骤3)，直至NLP收敛性判断模块满足为止；得到的最优解作为控制策略输入控制策略输出模块26。所述的ODE快速求解模块，采用的是四级五阶龙格库塔方法，求解公式为：其中，t表示时间，ti表示龙格库塔方法选择的积分时刻，h为积分步长，x(k)(ti)表示月球着陆器在第k次迭代中第ti时刻的状态信息，F(·)是描述月球着陆器状态微分方程的函数，K1、K2、K3、K4分别表示龙格库塔法积分过程中的4个节点的函数值。所述的梯度求解模块，采用灵敏度轨迹方程法：步骤1)：定义第k次迭代的灵敏度轨迹方程Γ(k)(t)为：Γ(k)(t)的求解公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴高，刘平，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33