基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法技术

本发明专利技术公开的基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术实现方法为：建立着陆点固连坐标系下的着陆器动力学方程；基于着陆障碍区域影响定义膨胀预警区，只在所述膨胀预警区内存在对着陆器飞行产生影响的斥力势函数，以此改进传统人工势函数；将改进人工势函数梯度引入到线性滑模面中，对人工势函数相应参数进行设计，设计适用于常推力发动机的滑模控制律，引入死区进行控制律改进；应用基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法进行小行星着陆的控制，以减少频繁切换发动机的推力方向引起的抖振和燃料消耗，实现着陆器在常推力作用下的在复杂区域内飞行时的障碍规避和精准着陆，并增加着陆器的工作寿命。

【技术实现步骤摘要】
基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法
本专利技术涉及一种基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法，适用于以常推力为推进方式的小天体着陆器，属于深空探测

技术介绍
着陆是小天体探测任务中至关重要的一步，是获取小天体表面有效的科学数据信息的有效保障，也是执行小天体表面样品采集及返回任务的必要前提条件。随着空间科学技术和航天技术的不断发展，小天体探测任务将寻求着在具有更高的科学价值或更多的特殊资源的复杂区域进行着陆，而这些区域往往环境复杂，地形崎岖，存在着较多的岩石、斜坡、弹坑等地形障碍，威胁着陆器的精准安全的着陆任务，致使小天体表面的着陆任务难度增大。因此能够保障着陆器在复杂地形环境中安全着陆的自主避障控制方法是小天体着陆段探测技术的重要研究方向。目前关于着陆器的自主避障控制方法的研究多是基于变推力发动机，在实际的着陆器飞行任务中实现困难。在已发展的避障控制方法中，在先技术[1](Yuan,X.,etal.,Probability-basedhazardavoidanceguidanceforplanetaryland本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤1：建立小天体的固连坐标系Σ

【技术特征摘要】
1.基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：建立小天体的固连坐标系Σb和着陆点固连坐标系Σl，利用着陆器在小天体固连坐标系下的动力学方程和两个坐标系之间的转换关系推导出着陆点固连坐标系下的着陆器动力学方程；
步骤2：基于着陆障碍区域影响定义膨胀预警区，只在所述膨胀预警区内存在对着陆器飞行产生影响的斥力势函数，以此对传统人工势函数进行改进；
所述膨胀预警区定义如下：定义一个最小的圆柱将障碍包围，该最小圆柱所在区域定义为“危险区域”，在危险区域以外设定范围内定义另一圆柱区域，该区域定义为“膨胀预警区”，在膨胀预警区之外的区域统称为“安全区”；
步骤3：将步骤2所设计的改进人工势函数梯度引入到线性滑模面中，同时对人工势函数相应参数进行设计，以提高着陆器着陆时的鲁棒性和避障能力；
步骤4：在步骤3所建立的滑模面的基础上，设计适用于常推力发动机的滑模控制律，并引入死区进行控制律改进，以减少频繁切换发动机的推力方向引起的抖振和燃料消耗。


2.如权利要求1所述的基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法，其特征在于：还包括步骤5，应用基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法进行小行星着陆的控制，以减少频繁切换发动机的推力方向引起的抖振和燃料消耗，实现着陆器在常推力作用下的在复杂区域内飞行时的障碍规避和精准着陆，并增加着陆器的工作寿命。


3.如权利要求1或2所述的基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法，其特征在于：步骤1的具体实现方法为，
以小天体质心为原点Ob，小天体自旋轴为zb轴，小天体最小惯性轴为xb轴，通过右手法则定义yb轴建立小天体的固连坐标系Ob-xbybzb(Σb)；以目标着陆点为原点Ol，Ol所在平面外法线方向为zl轴，以位于zlOlzb平面并垂直于zl轴指向小天体南极方向为xl轴，通过右手法则定义yl轴建立小天体的着陆点固连坐标系Ol-xlylzl(Σl)，着陆器在小天体固连坐标系下的动力学方程和两个坐标系之间的转换关系推导出着陆点固连坐标系下的着陆器动力学方程：



其中rl和vl分别为着陆器在Σl系下的位置矢量和速度矢量；为从着陆点固连坐标系到小天体固连系的坐标转换矩阵；ω＝[0,0,ω]T为小天体自转角速度矢量，小天体均匀旋转，即lb为在Σb中的位置矢量；为着陆器受到的小天体引力加速度；rb为着陆器在Σb系下的位置矢量，dl为干扰加速度，表示着陆器在运动过程中受到的小天体引力场偏差、太阳光压、第三体摄动影响；acl为控制加速度；Tcl为着陆器自带推力器产生的控制推力矢量，且有Tcli∈{-T,0,+T}(i＝1,2,3)，T为着陆器单轴所产生的推力大小；m为着陆器的质量，g0为地球海平面处的标准引力加速度；Isp为推力器比冲；
定义由于小天体引力场和自转效应对着陆器着陆动力学产生的影响加速度为：



将公式(2)代入公式(1)得简化后的着陆器动力学方程：



着陆器在小天体表面的着陆过程中，受到小天体引力场和自转效应影响的值相对于控制加速度acl很小且有界，受到的干扰加速度dl未知却有界，得其中γi(i＝1,2,3)为小的正常数。


4.如权利要求3所述的基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法，其特征在于：步骤2具体实现方法为：
构造非负的人工势函数，着陆器在虚拟的势场空间中进行运动；该人工势函数通常由两部分组成：引力势函数和斥力势函数，该人工势函数的数值越大，代表其所在势场空间的势能越高，目标着陆点处的势函数值最低；人工势函数的负梯度方向由高势能点指向低势能点，为着陆器的着陆提供安全的路径，并最终成功收敛到目标的着陆点处；
人工势函数表达式为：
φ＝φa+φr(4)
其中φ表示人工势函数，φa表示引力势函数，φr表示斥力势函数，三者均为非负函数；
定义着陆器相对于期望着陆点的相对位置σ和相对速度为新的状态变量：

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【专利技术属性】
技术研发人员：朱圣英，杨贺，崔平远，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