小天体协同附着鲁棒避障控制方法技术

本发明专利技术公开的小天体协同附着鲁棒避障控制方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术实现方法为：针对小天体表面多障碍地形，考虑多探测器协同附着过程中状态不确定性对障碍规避的影响，采用全对称多胞形快速估计探测器可达集边界，构建协同探测碰撞预测模型，对协同探测系统受到的碰撞威胁进行量化评估；进而基于安全目标状态设计障碍规避性能指标，实现有效区间范围内控制目标由精确附着向障碍规避的自主调整；最后在线求解动态指标模型预测控制问题，得到协同附着鲁棒障碍规避控制律，提高任务在状态不确定条件下的安全性与可靠性。

【技术实现步骤摘要】
小天体协同附着鲁棒避障控制方法
本专利技术涉及一种小天体协同附着鲁棒避障控制方法，属于深空探测

技术介绍
小天体动力学环境复杂、表面形貌崎岖且先验信息匮乏，在其表面实现安全精确附着十分困难。未来小天体探测任务中，采用多探测器协同探测模式能够有效提高任务可靠性与自主性，通过探测器间相互协作配合提高观测与控制精度，从而完成更复杂的深空机动操作与科学任务。在开展协同附着探测时，小天体表面的多样异构形貌对探测器安全构成威胁。为了避免探测器在下降过程中与小天体表面障碍发生碰撞，文献中分别提出了势函数法、避障轨迹优化、轨迹曲率设计等方法提高附着任务的安全性。在此基础上，还需结合协同探测模式特点，考虑探测器间构型约束，综合考量各探测器与附近障碍距离，准确评估协同探测系统所受到的安全威胁。此外，针对下降过程中探测器状态不确定性对障碍规避的影响，有文献提出构造安全膨胀椭球对潜在碰撞概率进行估计，通过优化轨迹降低附着风险。当多探测器位置与速度同时存在不确定性时，评估环境带来的碰撞威胁将变得更为复杂棘手，且需要采用鲁棒性更强的控制方法，实现多探测器状态不确定性下的安全精确附着任务目标。
技术实现思路
本专利技术公开的小天体协同附着鲁棒避障控制方法要解决的技术问题是：针对小天体表面多障碍地形，考虑多探测器系统在状态不确定条件下受到的安全威胁，通过构建星上碰撞预测机制，实现对潜在碰撞风险的及时发现与规避，在线调整多探测器控制策略，在满足构型约束条件下，实现精确附着与障碍规避目标间的自主切换，生成协同避障鲁棒控制律，实现协同模式下的鲁棒障碍规避控制，提高任务在状态不确定条件下的安全性与可靠性。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的小天体协同附着鲁棒避障控制方法，考虑多探测器协同附着过程中状态不确定性对障碍规避的影响，采用全对称多胞形快速估计探测器可达集边界，构建协同探测碰撞预测模型，对协同探测系统受到的碰撞威胁进行量化评估；进而基于安全目标状态设计障碍规避性能指标，实现有效区间范围内控制目标由精确附着向障碍规避的自主调整；最后在线求解动态指标模型预测控制问题，得到协同附着鲁棒障碍规避控制律，提高任务在状态不确定条件下的安全性与可靠性。本专利技术公开的小天体协同附着鲁棒避障控制方法，包括如下步骤：步骤一、考虑多探测器状态不确定性，结合协同探测一致性算法，采用全对称多胞形对主探测器与跟随探测器的可达集边界进行快速估计，构建协同探测碰撞预测模型，量化评估系统受到的碰撞威胁，保证在线估计效率的同时提高估计结果的鲁棒性。探测器动力学方程为xk+1＝f(xk,uk,wk)＝g(xk,uk)+G(xk,uk)wk(1)其中探测器k时刻状态由位置rk与速度vk构成，为控制量，为有界环境扰动。多探测器系统在下降过程中采用主-从结构，主探测器A的控制量uA在线求解，跟随探测器B1,B2,...BL在下降过程中与主探测器保持固定构型，速度一致。记跟随探测器Bi相对主探测器A的理想构型为rid，则理想情况下跟随探测器Bi的位置为速度为其中rA,vA分别为主探测器A的位置与速度。根据一致性算法，跟随探测器Bi的控制律由下式给出其中γi1,γi2为正常数，rBi,vBi分别为跟随探测器Bi的真实位置与速度。根据导航系统状态估计结果，k时刻主探测器A的状态为跟随探测器Bi的状态为为了构建协同探测碰撞预测模型，首先对主探测器A的可达集边界进行估计。采用全对称多胞形对主探测器状态不确定性XA进行描述其中为主探测器状态估计均值，HA为状态估计误差区间矩阵，Bm为m个单位区间构成的方格，z为Bm中任意向量，两集合间的闵可夫斯基和定义为主探测器A受到的有界环境扰动WA表达为其中cwA为环境扰动均值，CwA为环境扰动区间矩阵，为mw个单位区间构成的方格。对于任意全对称多胞形集合其中p为n维实数向量，M为实数区间矩阵，Bm为m个单位区间构成的方格，定义其外包络为其中mid(M)为区间矩阵中心，对角矩阵G的对角元素为diam(Mij)为区间长度，则有由此结合探测器动力学方程(1)，得到主探测器在当前状态不确定XA与有界环境扰动WA下的可达集边界函数式中实数向量qA与区间矩阵SA由下式确定qA＝g(pA,uA)+G(pA,uA)cwA(9)SA＝G(pA,uA)CwA(10)区间矩阵由区间算法计算得到。根据式(2)与探测器间构型约束对跟随探测器Bi的状态进行估计。同样采用全对称多胞形对跟随探测器状态不确定性XBi与受到的有界环境扰动WBi进行描述。对于状态估计误差集合中任意元素与主探测器可达集边界函数中任意元素跟随探测器控制律由下式决定跟随探测器Bi可达集边界函数为式中实数向量qBi、区间矩阵SBi与MBi确定方式与主探测器相同。结合主探测器可达集边界函数ψA(XA,uA,WA)与跟随探测器可达集边界函数ψB1(XB1,uB1,WB1),ψB2(XB2,uB2,WB2),...,ψBL(XBL,uBL,WBL)，构建协同探测碰撞预测模型。考虑到小天体表面连续密集分布着障碍，采用多面体模型对小天体复杂地形进行近似，每个近似平面记为其中为拟合参数。多探测器系统与近似平面间的最小距离即一步预测下的剩余安全距离为其中Ψr为集合Ψ＝ψA∪ψB1∪ψB2∪...∪ψBL在位置空间的投影，r＝[x,y,z]T为集合Ψr中任意元素，为距离多探测器系统最近的近似平面，对应的规避方向即为该近似平面的法线方向根据式(14)-(15)得到的协同探测碰撞预测模型，从剩余安全距离dr与规避方向η两方面对多探测器系统受到的环境碰撞威胁实现量化评估，且能够保证在线估计效率的同时提高估计结果的鲁棒性。步骤二、根据步骤一中得到的协同探测碰撞预测模型，设置障碍规避有效区间，设计安全协同目标状态，形成障碍规避性能指标，实现下降过程中障碍规避指标权重的自主调整。在协同探测碰撞预测模型基础上，为了避免多探测器系统与小天体表面障碍发生碰撞，设计安全协同目标状态，当探测器距离小天体表面较近时，驱动多探测器系统自主向安全协同目标状态转移，提高附着安全性。考虑到多探测器距离小天体表面较远时没有避障需求，距离小天体表面过近时难以满足避障最小转移距离要求，设置障碍规避有效区间为[εl,εu]，即当且仅当式(14)得到的剩余安全距离dr[εl,εu]时，协同探测系统进行避障转移。由于主探测器A的运动决定了整个协同探测系统的运动，针对主探测器A设定安全协同目标位置rsafe与速度vsafe分别为其中为主探测器A当前位置rA在近似平面上的投影，vmax为协同探测系统最大运动速度。由此得到安全协同目标状态进一步基于安全协同目标状态设计障碍规避性能指标其中N为预测步数，xA(k)为主探测器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.小天体协同附着鲁棒避障控制方法，其特征在于：包括如下步骤，/n步骤一、考虑多探测器状态不确定性，结合协同探测一致性算法，采用全对称多胞形对主探测器与跟随探测器的可达集边界进行快速估计，构建协同探测碰撞预测模型，量化评估系统受到的碰撞威胁，保证在线估计效率的同时提高估计结果的鲁棒性；/n步骤二、根据步骤一中得到的协同探测碰撞预测模型，设置障碍规避有效区间，设计安全协同目标状态，形成障碍规避性能指标，实现下降过程中障碍规避指标权重的自主调整；/n在协同探测碰撞预测模型基础上，为了避免多探测器系统与小天体表面障碍发生碰撞，设计安全协同目标状态，当探测器距离小天体表面较近时，驱动多探测器系统自主向安全协同目标状态转移，提高附着安全性；/n步骤三、结合步骤二形成的障碍规避性能指标，在线求解主探测器的混合动态指标模型预测控制问题，得到协同附着鲁棒障碍规避控制律，实现状态不确定下协同附着探测障碍规避，提高任务在状态不确定条件下的安全性与可靠性。/n

【技术特征摘要】
1.小天体协同附着鲁棒避障控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一、考虑多探测器状态不确定性，结合协同探测一致性算法，采用全对称多胞形对主探测器与跟随探测器的可达集边界进行快速估计，构建协同探测碰撞预测模型，量化评估系统受到的碰撞威胁，保证在线估计效率的同时提高估计结果的鲁棒性；
步骤二、根据步骤一中得到的协同探测碰撞预测模型，设置障碍规避有效区间，设计安全协同目标状态，形成障碍规避性能指标，实现下降过程中障碍规避指标权重的自主调整；
在协同探测碰撞预测模型基础上，为了避免多探测器系统与小天体表面障碍发生碰撞，设计安全协同目标状态，当探测器距离小天体表面较近时，驱动多探测器系统自主向安全协同目标状态转移，提高附着安全性；
步骤三、结合步骤二形成的障碍规避性能指标，在线求解主探测器的混合动态指标模型预测控制问题，得到协同附着鲁棒障碍规避控制律，实现状态不确定下协同附着探测障碍规避，提高任务在状态不确定条件下的安全性与可靠性。


2.如权利要求1所述的小天体协同附着鲁棒避障控制方法，其特征在于：步骤一实现方法为，
探测器动力学方程为
xk+1＝f(xk,uk,wk)＝g(xk,uk)+G(xk,uk)wk(1)
其中探测器k时刻状态由位置rk与速度vk构成，为控制量，为有界环境扰动；多探测器系统在下降过程中采用主-从结构，主探测器A的控制量uA在线求解，跟随探测器B1,B2,...BL在下降过程中与主探测器保持固定构型，速度一致；记跟随探测器Bi相对主探测器A的理想构型为rid，则理想情况下跟随探测器Bi的位置为速度为其中rA,vA分别为主探测器A的位置与速度；根据一致性算法，跟随探测器Bi的控制律由下式给出



其中γi1,γi2为正常数，rBi,vBi分别为跟随探测器Bi的真实位置与速度；根据导航系统状态估计结果，k时刻主探测器A的状态为跟随探测器Bi的状态为
为了构建协同探测碰撞预测模型，首先对主探测器A的可达集边界进行估计；采用全对称多胞形对主探测器状态不确定性XA进行描述



其中为主探测器状态估计均值，HA为状态估计误差区间矩阵，Bm为m个单位区间构成的方格，z为Bm中任意向量，两集合间的闵可夫斯基和定义为



主探测器A受到的有界环境扰动WA表达为



其中cwA为环境扰动均值，CwA为环境扰动区间矩阵，为mw个单位区间构成的方格；对于任意全对称多胞形集合其中p为n维实数向量，M为实数区间矩阵，Bm为m个单位区间构成的方格，定义其外包络为



其中mid(M)为区间矩阵中心，对角矩阵G的对角元素为



diam(Mij)为区间长度，则有由此结合探测器动力学方程(1)，得到主探测器在当前状态不确定XA与有界环境扰动WA下的可达集边界函数



式中实数向量qA与区间矩阵SA由下式确定
qA＝g(pA,uA)+G(pA,uA)cwA(9)
SA＝G(pA,uA)CwA(10)
区间矩阵由区间算法计算得到；
根据式(2)与探测器间构型约束对跟随探测器Bi的状态进行估计；同样采用全对称多胞形对跟随探测器状态不确定性XBi与受到的有界环境扰动WBi进行描述；对于状态估计误差集合中任意元素与主探测器可达集边界函数中任意元素跟随探测器控制律由下式决定



跟随探测器Bi可达集边界函数为



式中实数向量qBi、区间矩阵SBi与MBi确定方式...

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