横向固定分力控制模式下的火箭回收方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种横向固定分力控制模式下的火箭回收方法和装置，其中，方法包括：根据预设的采样周期，采集火箭在当前采样周期的位置、速度、质量信息；根据当前采样周期的位置、速度、质量信息，更新火箭的X‑Z面坐标系；在火箭的X‑Z面坐标系下确定火箭的横向运动模式；根据横向运动模式确定非线性方程组；求解非线性方程组计算平均推力，并生成针对平均推力的控制指令，将控制指令控制火箭在当前采样周期的控制。由此，可以满足火箭回收的实时性、稳定性以及求解精度要求。

【技术实现步骤摘要】
横向固定分力控制模式下的火箭回收方法和装置
本专利技术涉及火箭控制
，尤其涉及一种横向固定分力控制模式下的火箭回收方法和装置。
技术介绍
可回收火箭是指能够在执行完一次发射任务后，安全、稳定地重返地球，且具备可维护性、可重复利用性的新型航天任务发射运载器。近年来，西方商业火箭发射公司如BlueOrigin、SpaceX等，相继成功研制了可垂直回收火箭，掀起了世界各航天大国可回收商业运载火箭的研制高潮。SpaceX研制的具备可重复利用的Falcon9系列运载火箭，自2015年首次成功回收后的52次发射中，完成了44次一级火箭的陆地和海上回收。由于地球稠密大气等因素的存在，火箭回收过程的动力学环境更为复杂，且火箭下降时间较短，制导方法面临着更为严峻的考验。传统的制导方法为了获得实时制导律，做了很多简化和假设，通常难以保证复杂动力学环境下的着陆精度，而基于更加精确模型下的数值求解方法，则无法满足火箭着陆过程对制导方法实时性的要求。目前已经有的方法中，凸优化算法在火箭回收问题中应用很广，也取得了非常不错的效果，但是在实际应用方面，离散点的个数会很大程度上影响求解精度和求解效率，在目前我国火箭配备的主流箭载计算机上，凸优化算法的资源占用较多，而且求解速度仍不够快。随着人工智能方法的快速发展，有很多研究人员将机器学习方法应用到火箭回收问题上，这些研究都是基于大量仿真结果进行的训练和学习，在实际中因为缺乏真实的数据，所以最终的求解精度很难保证。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的第一个目的在于提出一种横向固定分力控制模式下的火箭回收方法，可以满足火箭回收的实时性、稳定性以及求解精度要求。本专利技术的第二个目的在于提出一种横向固定分力控制模式下的火箭回收装置。为达上述目的，本专利技术第一方面实施例提出了一种横向固定分力控制模式下的火箭回收方法，包括以下步骤：根据预设的采样周期，采集火箭在当前采样周期的位置、速度、质量信息；根据所述当前采样周期的位置、速度、质量信息，更新所述火箭的X-Z面坐标系；在所述火箭的X-Z面坐标系下确定所述火箭的横向运动模式；根据所述横向运动模式确定非线性方程组；求解所述非线性方程组计算平均推力，并生成针对所述平均推力的控制指令，将所述控制指令控制所述火箭在所述当前采样周期的控制。为达上述目的，本专利技术第二方面实施例提出了一种横向固定分力控制模式下的火箭回收装置，包括：采集模块，用于根据预设的采样周期，采集火箭在当前采样周期的位置、速度、质量信息；更新模块，用于根据所述当前采样周期的位置、速度、质量信息，更新所述火箭的X-Z面坐标系；第一确定模块，用于在所述火箭的X-Z面坐标系下确定所述火箭的横向运动模式；第二确定模块，用于根据所述横向运动模式确定非线性方程组；控制模块，用于求解所述非线性方程组计算平均推力，并生成针对所述平均推力的控制指令，将所述控制指令控制所述火箭在所述当前采样周期的控制。本专利技术的实施例，至少具有如下的技术效果：具有较高的求解效率，解决了目前的火箭回收方法不能完美满足实时在线制导条件的问题，在搭建解析模型时考虑了质量变化等条件，在闭环制导过程中反复更新指令，具有良好的抗干扰能力，计算准确，收敛性和稳定性方面优于已有方法，且控制模式简单可靠，利于工程实际应用。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本专利技术实施例所提供的一种横向固定分力控制模式下的火箭回收方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例所提供的一种X-Z平面示意图；图3为本专利技术实施例所提供的一种纵向运动示意图；图4为本专利技术一个具体实施例所提供的一种横向固定分力控制模式下的火箭回收方法的流程示意图；以及图5为本专利技术实施例提供的一种横向固定分力控制模式下的火箭回收装置的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。火箭回收本身是一个横向机动需求较小，主要运动为纵向减速运动的控制问题。基于此特点，本专利技术提出了一种横向固定分力控制模式下的火箭回收方法。通过运动模式分析以及解析推导，可以得到含六个变量的六个非线性约束方程，方程可解。将此求解过程应用到模型预测控制框架下，每一次采样时刻，都根据当前的位置、速度和质量计算开机时刻、总时间、X方向分力、X方向分力变向时刻、Y方向分力、Y方向分力变向时刻。根据上一步的计算结果，在两次采样时刻之间进行平均得到三个方向的平均推力作用于火箭，等待下一次采样，在下一个采样时刻重复以上过程，直至火箭着陆。数值仿真证明本方法可以满足火箭回收的实时性、稳定性以及求解精度要求。下面参考附图描述本专利技术实施例的横向固定分力控制模式下的火箭回收方法和装置。图1为本专利技术实施例所提供的一种横向固定分力控制模式下的火箭回收方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括以下步骤：步骤101，根据预设的采样周期，采集火箭在当前采样周期的位置、速度、质量信息。在本实施例中，以所述火箭的目标落点为原点，以竖直方向为Z轴，以所述当期采集周期的位置为起始点。以火箭当前的位置作为起始点S，结合目标落点O(不妨设为坐标原点)和竖直方向形成X-Z平面，Y轴由右手法则确定，如图2所示，起始点S，结合目标落点O以及竖直方向构成一个平面，竖直向上为Z轴，X轴正向为：原点O指向起点S在地平面上的竖直投影点。步骤102，根据当前采样周期的位置、速度、质量信息，更新火箭的X-Z面坐标系。即以当前采样周期的位置作为更新的起始点S，结合目标落点O(设置为坐标原点)和竖直方向形成X-Z平面，Y轴正向为竖直向上，X轴正向为原点O指向起点S在地平面上的竖直投影点，Y轴由右手法则确定，X-Y平面即为地平面。在本实施例中，根据当前采样周期的位置、速度、质量信息，更新火箭的X-Z面坐标系，同时将当前采样周期的位置、速度、质量更新为本次求解的初始位置、初始速度以及初始质量。步骤103，在火箭的X-Z面坐标系下确定火箭的横向运动模式。在本实施例中，若所述火箭在X方向初始速度大于等于0，则所述横向运动模式为X方向推力先负后正；若所述火箭在X方向初始速度小于0，计算用μxmax减速至0的位移xst；若所述|xst|≥x0，则所述横向运动模式为X方向推力先正后负；若所述|xst|<x0，则所述横向运动模式为X方向推力先负后正；若所述火箭本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种横向固定分力控制模式下的火箭回收方法，其特征在于，包括以下步骤：/n根据预设的采样周期，采集火箭在当前采样周期的位置、速度、质量信息；/n根据所述当前采样周期的位置、速度、质量信息，更新所述火箭的X-Z面坐标系；/n在所述火箭的X-Z面坐标系下确定所述火箭的横向运动模式；/n根据所述横向运动模式确定非线性方程组；/n求解所述非线性方程组计算平均推力，并生成针对所述平均推力的控制指令，将所述控制指令控制所述火箭在所述当前采样周期的控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种横向固定分力控制模式下的火箭回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据预设的采样周期，采集火箭在当前采样周期的位置、速度、质量信息；
根据所述当前采样周期的位置、速度、质量信息，更新所述火箭的X-Z面坐标系；
在所述火箭的X-Z面坐标系下确定所述火箭的横向运动模式；
根据所述横向运动模式确定非线性方程组；
求解所述非线性方程组计算平均推力，并生成针对所述平均推力的控制指令，将所述控制指令控制所述火箭在所述当前采样周期的控制。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
判断所述火箭是否着陆；
若没有着陆，则执行下一个采样周期的采样控制；
若着陆，则停止采样。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述当前采样周期的位置、速度、质量信息，更新所述火箭的X-Z面坐标系，包括：
以所述火箭的目标落点为原点，以竖直方向为Z轴，以所述当期采集周期的位置为起始点。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述火箭的X-Z面坐标系下确定所述火箭的横向运动模式，包括：
若所述火箭在X方向初始速度大于等于0，则所述横向运动模式为X方向推力先负后正；
若所述火箭在X方向初始速度小于0，计算用μxmax减速至0的位移xst；
若所述|xst|≥x0，则所述横向运动模式为X方向推力先正后负；
若所述|xst|<x0，则所述横向运动模式为X方向推力先负后正；
若所述火箭在Y方向初始速度大于0，则所述横向运动模式为Y方向推力先负后正；
若所述火箭在Y方向初始速度小于0，则所述横向运动模式为Y方向推力先正后负。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述横向运动模式确定非线性方程组，包括：
当所述横向运动模式为X方向推力先负后正，Y方向初始速度大于零，则所述非线性方程组为：





















其中，vz为纵向速度，μz为用于纵向减速的分力(0<μz≤1，且Tmax为火箭总推力，m0为当前的质量，mdot为质量变化率的大小，t1为开机时刻，g为恒定的重力加速度，tx为X方向分力变向时刻，μx为X方向分力(0≤μx<1)，vx0为当前的X方向初始速度，ty为Y方向分力变向时刻，vy0为初始Y方向速度，vz...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚胜平，苗新元，宋雨，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11