深空探测器软着陆自主障碍规避控制方法技术

深空探测器软着陆自主障碍规避控制方法，涉及一种对深空探测器的控制方法。针对现有深空探测器存在控制精度不高、可靠性差的问题，本发明专利技术提供一种深空探测器软着陆自主障碍规避控制方法，探测器通过自带的导航传感器测得探测器当前的位置ｒ、速度＊，＊，＊信息，通过自带的障碍检测装置测得障碍的位置ｘ↓［１］，ｙ↓［１］，障碍的大小ｚ↓［１］信息，探测器的控制器根据测得的上述信息利用所述公式进行计算，得到探测器喷嘴三个方向上控制力ｐ↓［ｘ］、ｐ↓［ｙ］、ｐ↓［ｚ］的大小，探测器受ｐ↓［ｘ］、ｐ↓［ｙ］、ｐ↓［ｚ］控制力的作用，即可保证其沿安全的下降轨迹着陆到目标星体表面。本发明专利技术所述方法可以很好的完成探测器在危险地形中的障碍规避任务，并且算法简单、计算量小、控制精度高、可靠性高。

Autonomous obstacle avoidance control method for soft landing of deep space probe

The invention discloses a method for controlling the autonomous obstacle avoidance of a soft landing of a deep space probe, which relates to a control method for a deep space detector. In view of the existing deep space detector has the control accuracy is not high, the problem of poor reliability, the invention provides a deep space probe soft landing autonomous obstacle avoidance control method, the detector comes through navigation sensor detector location R, * * *, speed, information, through the detection of built-in obstacle device measured obstacles the location of X: 1, Y: 1, Z: obstacles of size 1, the detector controller is calculated according to the above information by using the formula of measured, get three direction detector nozzle control force of P: X, P: y, P: \Z: the size of the detector by P: x, P: y, P: Z control force, to ensure its safety along the descent trajectory to the target surface of the planet landing. The method of the invention can well complete the obstacle avoidance task of the detector in the dangerous terrain, and has the advantages of simple algorithm, small calculation amount, high control precision and high reliability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对深空探测器的控制方法，特别是一种深空控测器在软着陆过程中可以自主对障碍进行规避的控制方法。
技术介绍
随着行星际探测任务的日益增多，探测器在星球表面的安全软着陆已经成为未来深空科学探测的重要任务和课题。为了对有科学价值的区域进行研究和取样，希望探测器能够在危险区域(岩石、弹坑和陡坡)安全着陆。当前行星探测活动软着陆的成功率、生存率还是比较低的，40多年来，前苏联、美国、日本和欧洲共实施了30几次火星探测活动，其中约2/3以失败告终。在深空探测任务中，由于目标天体和地面基站之间存在着较长的通讯延迟，加之着陆天体的过程持续时间相对较短，采用传统的基于深空网的导航制导控制模式无法满足障碍规避实时性的要求。为了安全、准确地降落到目标星体表面，未来探测器必须具有自主的障碍检测与规避的能力。探测器软着陆自主障碍规避是在获取着陆区地形信息前提下，规划满足探测器机动性能的探测器运动轨迹、平动速度与转动速度，即完成探测器的导航任务，从而将命令送给探测器姿态、轨道控制系统进行机动控制。探测器软着陆自主障碍规避包括探测器运动轨迹规划、探测器障碍规避控制等部分。到目前为止，具有障碍规避能力的探测器只有美国的阿波罗系列月球探测器，该系列探测器由于是载人，宇航员可以直接参与障碍规避工作，从而大大降低了对探测器自主能力的要求。因此，目前还没有一个真正意义上完成软着陆自主障碍规避的探测器。由于探测器软着陆自主障碍规避能力是深空探测器生存能力的瓶颈，因此是当前各国航天科研部门重点发展的研究方向之一。在已发展的中，在先技术(参见Andrew Johnson，Allan Klumpp，James Collier and Aron Wolf etal.，LIDAR-ba sed Hazard Avoidance for Safe Landing on Mars.Appearingas AAS 01-120 in the AAS/AIAA Space Flight Mechanics Meeting，SantaBarbara，CA，February 2001)，美国NASA下属JPL实验室与加利福尼亚技术研究中心联合开发的一套基于激光扫描雷达进行障碍检测、规避算法。该套算法提出的障碍规避控制方法是根据障碍信息事先规划出着陆点，利用导航系统给出的探测器当前位置与速度信息规划一条规避轨迹，该轨迹通过位置四次多项式的形式完成两点边值问题。在下降过程中，产生控制力使探测器沿该轨迹下降到目标星表面。这种控制方法由于利用了多项式的形式而有解析表达式，因此其具有算法简单、计算时间少等特点，但是由于该控制方法是基于开环控制理论，需要过多的外部精确信息，但是其需要的许多信息并不能精确得到，这导致了该控制方法控制精度的不确定性。在先技术(参见Edward C.Wong，Gurkirpal Singh and James P.Masciarelli et al.，Autonomous Guidance and Control Design for HazardAvoidance and safe Landing on Mars.Appearing as 2002-4619 in theAIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit)，美国NASA下属JPL实验室与约翰逊空间中心联合开发的一套探测器着陆过程中的障碍规避控制算法。该套算法中所利用的障碍规避控制方法仍然是采用事先选择出着陆点，利用导航系统给出的探测器当前位置与速度信息规划规避轨迹，该轨迹也是通过多项式的形式完成两点边值问题。该控制方法是采用位置三次多项式的形式，并与在先技术事先规划一条轨迹不同的是该算法每隔一段时间便利用导航信息进行轨迹规划，在规划间隔的时间内控制探测器沿上一条规划轨迹下降。该算法在保留了算法简单、计算时间少等特点外，还具有一定的鲁棒性，但是该算法在规划下降轨迹时仅利用了着陆点信息，并未考虑着陆区域内障碍的大小、类型等信息，这样的规避轨迹并不能完全保证探测器在规避的过程中不与其它障碍发生碰撞。
技术实现思路
针对现有深空探测器存在控制精度不高、可靠性差的问题，本专利技术提供一种控制精度和可靠性都较高且算法简单、计算量小的，该控制方法应用于深空探测器软着陆末端，利用地形信息以及探测器位置、速度信息，探测器基于该控制方法利用控制信号驱动执行机构即喷嘴产生控制力，使探测器平稳安全地下降到目标星体表面。一种，探测器通过自带的导航传感器测得探测器当前的位置r、速度 信息，通过自带的障碍检测装置测得障碍的位置xi，yi，障碍的大小zi信息，探测器的控制器根据测得的上述信息利用下述公式进行计算，得到探测器喷嘴三个方向上控制力px、py、pz的大小，探测器受px、py、pz控制力的作用，即可保证其沿安全的下降轨迹着陆到目标星体表面；所述公式为Px=-Uxm+2(ωe×δrδt)xm+(ωe×(ωe×r))xm-kxx·/2+Σi=1nk1|zi|e((x-xi)2+(y-yi)2σ2)(x-xi)σ2-p1(x-xi)]]>Py=-Uym+2(ωe×δrδt)ym+(ωe×(ωe×r))ym-kyy·/2+Σi=1nk1|zi|e((x-xi)2+(y-yi)2σ2)(y-yi)σ2-p2(y-yi)]]>Pz=-Uzm+2(ωe×δrδt)zm+(ωe×(ωe×r))zm-kzz·/2-p3(z-zi)]]>其中U为天体引力加速度；m为探测器质量；ωe为动坐标系旋转角速度，r为探测器质心在惯性坐标系中的矢径；kx，ky，kz是正数，它由李亚普诺夫函数值期望下降速度决定；K1是正数，它是危险地形势函数相对于能量函数的权重；σ是正数，它的数值决定于危险地形势的形状；p1，p2，p3是正数，它是位置项相对于速度项的权重。本专利技术的技术效果为了验证本专利技术的技术效果，下面对利用所述的控制性能进行仿真测试，仿真测试参数如表1所示。仿真测试的目标着陆区地形如图1所示，图2、图3分别给出了李亚普诺夫函数中能量函数值曲面与危险势函数值曲面，图4给出了李亚普诺夫函数值曲面，图5、图6给出了探测器软着陆自主障碍规避速度、位置曲线，图7为规避轨迹在李亚普诺夫函数高程图中的表示。从图7中可以看出，在仿真测试中探测器沿李亚普诺夫函数值下降的方向到达了局本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深空探测器软着陆自主障碍规避控制方法，其特征在于探测器通过自带的导航传感器测得探测器当前的位置ｒ、速度＊，＊，＊信息，通过自带的障碍检测装置测得障碍的位置ｘ↓［１］，ｙ↓［１］，障碍的大小ｚ↓［１］信息，探测器的控制器根据测得的上述信息利用下述公式进行计算，得到探测器喷嘴三个方向上控制力ｐ↓［ｘ］、ｐ↓［ｙ］、ｐ↓［ｚ］的大小，探测器受ｐ↓［ｘ］、ｐ↓［ｙ］、ｐ↓［ｚ］控制力的作用，即可保证其沿安全的下降轨迹着陆到目标星体表面；所述公式为：Ｐ↓［ｘ］＝－Ｕ ↓［ｘ］ｍ＋２（ω↓［ｅ］×δｒ／δｔ）↓［ｘ］ｍ＋（ω↓［ｅ］×（ω↓［ｅ］×ｒ））↓［ｘ］ｍ－ｋ↓［ｘ］＊／２＋＊ｋ↓［１］｜ｚ↓［１］｜ｅ↑［（（ｘ－ｘ↓［１］）↑［２］＋（ｙ－ｙ↓［１］）↑［２］／σ↑［２］）］（ｘ－ｘ↓［１］）／σ↑［２］－ｐ↓［１］（ｘ－ｘ↓［１］）Ｐ↓［ｙ］＝－Ｕ↓［ｙ］ｍ＋２（ω↓［ｅ］×δｒ／δｔ）↓［ｙ］ｍ＋（ω↓［ｅ］×（ω↓［ｅ］×ｒ））↓［ｙ］ｍ－ｋ↓［ｙ］＊／２＋＊ｋ↓［１］｜ｚ↓［１］｜ｅ↑［（（ｘ－ｘ↓［１］）↑［２］ ＋（ｙ－ｙ↓［１］）↑［２］／σ↑［２］）］（ｙ－ｙ↓［１］）／σ↑［２］－ｐ↓［２］（ｙ－ｙ↓［ｉ］）Ｐ↓［ｚ］＝－Ｕ↓［ｚ］ｍ＋２（ω↓［ｅ］×δｒ／δｔ）↓［ｚ］ｍ＋（ω↓［ｅ］×（ω↓［ｅ］×ｒ））↓［ｚ］ｍ－ｋ↓［ｚ］＊／ ２－ｐ↓［３］（ｚ－ｚ↓［１］）其中：Ｕ为天体引力加速度；ｍ为探测器质量；ω↓［ｅ］为动坐标系旋转角速度，ｒ为探测器质心在惯性坐标系中的矢径；ｋ↓［ｘ］，ｋ↓［ｙ］，ｋ↓［ｚ］是正数，它由李亚普诺夫函数值期望下降速度决定；Ｋ↓［１］ 是正数，它是危险地形势函数相对于能量函数的权重；σ是正数，它的数值决定于危险地形势的形状；ｐ↓［１］，ｐ↓［２］，ｐ↓［３］是正数，它是位置项相对于速度项的权重。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：崔平远，崔祜涛，张泽旭，徐敏强，徐瑞，朱圣英，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]