基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开的基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术实现方法为：在确定火星动力下降燃耗最优性能指标及约束条件的基础上，将动力学方程和相机视场角约束、几何凸轨迹约束进行矢量化处理，对位置、速度、加速度变量，性能指标及约束条件进行离散化；将不等式约束和控制约束转化为二阶锥约束形式；从而将轨迹规划问题转化为二阶锥规划问题，求解所述二阶锥规划问题，实现在目标着陆点着陆，并满足相机视场角约束、几何凸轨迹约束，同时使轨迹规划方法具备实时性和收敛性。本发明专利技术能够有效保障导航相机对着陆区域障碍的可见性，施加几何凸轨迹约束提高对着陆点周围障碍的规避能力。

A method of Mars dynamic descent trajectory planning based on vector trajectory

【技术实现步骤摘要】
基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法
本专利技术涉及一种动力下降轨迹规划方法，尤其涉及基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法，属于深空探测

技术介绍
实现火星表面精确、安全着陆是进行火星表面原位探测、采样返回等科学探测任务的技术前提。为获取丰厚的科学回报，未来火星着陆器不可避免地要在复杂地形区实施着陆，这对着陆器规避复杂障碍的能力以及着陆安全提出了挑战。着陆轨迹规划方法的避障技术是保障着陆器在复杂地形区着陆安全的重要技术。轨迹曲率是影响避障效果的重要因素，着陆凸轨迹对障碍规避具有显著优势。同时，为保证着陆器对着陆障碍的实时检测能力，目标着陆区需位于导航相机的视场范围内。此外，为保障轨迹规划算法的在线应用，火星动力下降轨迹规划算法在满足相机视场角约束、几何凸轨迹约束的基础上，需具备较强的实时性和收敛性。针对未来火星着陆探测需求，有必要在满足相机视场角约束、几何凸轨迹约束的基础上，设计一种具备较强实时性和收敛性的在线轨迹规划方法，以保障未来火星着陆探测任务在复杂地形区的着陆安全。专利技术内容本专利本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤，/n步骤1、确定火星动力下降段动力学方程、燃耗最优性能指标及约束条件；/n步骤2、通过将步骤1中火星动力下降段动力学方程、最优性能指标及约束条件矢量化处理，并确定矢量轨迹，即实现定义矢量轨迹；/n步骤3、对矢量化处理后的位置、速度、加速度矢量，性能指标及约束条件进行离散化；/n步骤4、通过离散化后的位置、速度、加速度矢量、性能指标及约束条件，将轨迹优化问题转化为二阶锥规划问题；/n步骤5：求解步骤4确定的二阶锥规划问题，实现在目标着陆点着陆，并满足相机视场角约束、几何凸轨迹约束、控制约束，同时轨迹规划方法具备实时性和收敛性。...

【技术特征摘要】
1.基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤1、确定火星动力下降段动力学方程、燃耗最优性能指标及约束条件；
步骤2、通过将步骤1中火星动力下降段动力学方程、最优性能指标及约束条件矢量化处理，并确定矢量轨迹，即实现定义矢量轨迹；
步骤3、对矢量化处理后的位置、速度、加速度矢量，性能指标及约束条件进行离散化；
步骤4、通过离散化后的位置、速度、加速度矢量、性能指标及约束条件，将轨迹优化问题转化为二阶锥规划问题；
步骤5：求解步骤4确定的二阶锥规划问题，实现在目标着陆点着陆，并满足相机视场角约束、几何凸轨迹约束、控制约束，同时轨迹规划方法具备实时性和收敛性。


2.如权利要求1所述的基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法，其特征在于：步骤1实现方法为，
确定火星动力下降段动力学方程如式(1)所示



其中，x和z分别为着陆器水平位置和高度；vx和vz分别为着陆器沿水平方向和高度方向的速度；ax和az分别为着陆器沿水平方向和高度方向的加速度；acx和acz分别为着陆器沿水平方向和高度方向的控制加速度，并满足如式(2)所示的关系



其中，g为火星表面重力加速度；在火星动力下降轨迹规划过程中，需满足式(3)所示的边界约束条件



其中，x0和z0分别为初始时刻t＝t0时，着陆器水平和高度方向的位置；vx0和vz0分别为初始时刻t＝t0时，着陆器水平和高度方向的速度；xf和zf分别为着陆时刻t＝tf时，着陆器水平和高度方向的目标位置；vxf和vzf分别为着陆时刻t＝tf时，着陆器水平和高度方向的目标速度；火星动力下降段要求vxf＝0、vzf＝0；将着陆坐标系原点置于着陆点处，则有xf＝0、zf＝0；
则火星动力下降燃耗最优性能指标为



火星动力下降段中，为保证导航相机对着陆点的可见性以及着陆过程的避障能力，需满足相机视场角约束和几何凸轨迹约束；
约束条件一：相机视场角约束；
由于导航相机存在视场角，需保证相机对着陆区域的可见性，即满足式(5)所示的几何关系；



其中，αFoV为视线角，定义为相机与着陆点的连线与相机光轴之间的夹角；γ为相机视场角，定义为相机两视线边缘之间的夹角，γ/2为相机视线边缘与相机光轴之间的夹角；
约束条件二：几何凸轨迹约束；
几何凸轨迹约束表示为如式(6)所示的形式；



约束条件三：控制约束；
控制约束表示为如式(7)或式(8)所示的形式
Tmin≤||T||≤Tmax(7)
ac,min≤||ac||≤ac,max(8)
其中，T＝mac为着陆器推力，为推力器幅值，m为着陆器质量，Tmin和Tmax分别为推力幅值的最小值和最大值；ac,min和ac,max分别为控制加速度幅值的最小值和最大值，且满足如式(9)所示的关系；

。


3.如权利要求2所述的基于矢量轨迹的火星动力下降轨迹规划方法，其特征在于：步骤2实现方法为，
定义位置矢量r＝[x,z]T，速度矢量v＝[vx,vz]T，加速度矢量a＝[ax,az]T，控制加速度矢量ac＝[acx,acz]T，重力加速度矢量g＝[0,g]T；则对动力学方程式(1)进行矢量化处理，得到式(10)所示的矢量化形式；

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