小行星着陆末段弹跳移动制导方法技术

本发明专利技术公开的小行星着陆末段弹跳移动制导方法，针对小行星不确知环境下的弹跳移动问题，从减少弹跳次数与保证弹跳移动精度的需求出发，设计一种小行星着陆末段弹跳移动制导方法。本发明专利技术实现方法为：以着陆器碰撞点处姿态角及角速度为控制量，通过每次弹跳进行实时轨迹规划的方式进行制导；在弹跳轨迹规划过程中，根据单次弹跳的最大、最小距离确定弹跳次数；在每次弹跳碰撞点处，将着陆器到目标点的移动过程分为接近段和制动段，依次通过反馈校正的方式规划出弹跳轨迹，使着陆器能移动到目标点附近并消除其水平速度；由轨迹规划得到本次弹跳中着陆器的控制量，消除上次弹跳中参数扰动的影响，实现弹跳移动轨迹的鲁棒制导。该方法考虑减少弹跳次数的需求以及参数扰动对弹跳运动的影响，可实现着陆器到目标点的精确弹跳移动。

【技术实现步骤摘要】
小行星着陆末段弹跳移动制导方法
本专利技术涉及一种弹跳移动制导方法，特别涉及小行星着陆末段弹跳移动制导方法，属于深空探测

技术介绍
小行星探测逐渐成为航天领域的热点。为了获得小行星的精确数据和开发利用其资源，需要进行表面着陆探测。在即将接触小行星表面的着陆末段，着陆器若偏离预定的目标位置，则需在小行星表面移动。在小行星弱引力的物理环境下，通常使用弹跳的移动方式，利用着陆器与表面的接触力进行弹跳移动。在着陆末段，若能合理的控制着陆器与小行星表面的碰撞角，不但可以消除残余的速度误差，还可以减小与目标位置的偏差。然而，弹跳移动轨迹会受到小行星引力场参数和表面参数等影响，轨迹的控制难度大，对制导技术提出了较高要求。在已有相关研究中，先技术[1](梁子璇,吕畅,崔平远,等.考虑弹跳的小行星表面定点附着轨迹规划方法:中国:2020110999949.[P].2020-10-15)使用深度强化学习算法规划得到着陆器在碰撞时刻的姿态角及角速度，使着陆器移动到目标点，该方法能够给出一条同时满足位置和速度约束的弹跳轨迹，但无法实现最小弹跳次数下的移动，且在引力场参数和表面参数不确知情况下的精度无法保证。着陆器与小行星表面的碰撞前需要进行姿态调整，为了减小着陆器姿态机动所需的能耗、延长着陆器使用寿命，需要控制着陆器弹跳次数；为了实现位置和速度约束下的精确弹跳移动，需要考虑小行星表面引力场参数和表面参数的扰动影响，设计一种表面弹跳移动的高精度制导方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对小行星不确知环境下的弹跳移动问题，从减少弹跳次数与保证弹跳移动精度的需求出发，提供一种小行星着陆末段弹跳移动制导方法；该方法在轨迹规划过程中考虑单次弹跳距离及弹跳次数，并引入弹跳距离系数调节多次弹跳后的末端位置，通过实时轨迹规划实现着陆器到目标点的精确弹跳移动。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。小行星着陆末段弹跳移动制导方法，以着陆器碰撞点处姿态角及角速度为控制量，通过每次弹跳进行实时轨迹规划的方式进行制导；在弹跳轨迹规划过程中，根据单次弹跳的最大、最小距离确定弹跳次数；在每次弹跳碰撞点处，将着陆器到目标点的移动过程分为接近段和制动段，依次通过反馈校正的方式规划出弹跳轨迹，使着陆器能移动到目标点附近并消除其水平速度；由轨迹规划得到本次弹跳中着陆器的控制量，消除上次弹跳中参数扰动的影响，实现着陆器到目标点的精确弹跳移动。小行星着陆末段弹跳移动制导方法，包括如下步骤：步骤一、建立着陆器在碰撞点处姿态与下个碰撞点处位置和速度的函数关系，使用弹跳距离系数调整着陆器每次弹跳距离的大小，从而决定整个弹跳过程着陆器的移动距离。根据着陆器每次弹跳移动最大距离，确定着陆器到目标位置所需的弹跳次数。通过定义弹跳距离系数，将多次弹跳的姿态序列规划问题简化为单个系数的求解问题。步骤一的具体实现方法为：着陆器的动力学方程如下：其中，m为着陆器质量，g为小行星重力加速度，(x,y)为着陆器位置，I为着陆器转动惯量，2l为着陆器边长，α为着陆器的姿态角，ω为着陆器的角速度，Ft为小行星表面对着陆器水平方向向作用力，Fn为小行星表面对其竖直方向作用力，Tc为着陆器控制力矩。已知着陆器在当前碰撞点处的位置与速度，在角速度ω确定的情况下，得到着陆器弹跳距离随碰撞点处姿态角变化曲线s(α)，以及着陆器碰撞后水平速度随碰撞点处姿态角变化曲线vx(α)。为简化碰撞过程，将角速度规定为3个常值：顺时针旋转时使用角速度ω0、逆时针旋转时使用角速度-ω0、不发生旋转时角速度为0。为使着陆器以尽量少的弹跳次数运动到目标位置，选取角速度使着陆器朝向目标点旋转。角速度确定后，得到第k次弹跳的弹跳距离随碰撞点处姿态角变化曲线sk(α)，从而得到第k次弹跳的期望弹跳距离sksk＝λSmax,k+(1-λ)Smin,k(2)其中，Smax,k为每次弹跳的最大移动距离，Smin,k为每次弹跳的最小移动距离，Smax,k和Smin,k由sk(α)曲线求得；λ为弹跳距离系数，是0到1之间的实数。在弹跳次数确定的情况下，弹跳距离系数决定了着陆器每次弹跳距离的大小，从而决定整个弹跳过程着陆器的移动距离。为了以尽少的弹跳次数到达目标点，需要着陆器每次弹跳移动最大距离，因此弹跳距离系数需要选择最大值；同时，由于参数扰动的影响，着陆器实际弹跳距离与期望弹跳距离存在误差，需要为反馈校正留有控制裕量，因此选取初始弹跳距离系数λ0为接近1的实数。将λ0代入公式(2)获得着陆器每次弹跳的期望移动距离，当碰撞点超过目标点时，得到着陆器移动到目标点的最小弹跳次数n其中，xt为目标点水平位置。步骤二、将弹跳分为接近段和制动段，接近段弹跳次数为着陆器移动到目标点的最小弹跳次数n，对接近段的n次弹跳碰撞点位置进行规划，使着陆器弹跳轨迹满足末端位置约束；制动段进行减速弹跳，使着陆器弹跳轨迹满足末端速度约束，并反馈校正接近段最后一次弹跳距离。由轨迹规划得到着陆器到目标点的弹跳轨迹，并根据着陆器碰撞点姿态与碰撞后水平速度的函数关系输出每次弹跳碰撞点处着陆器的姿态序列。步骤二的具体实现方法为：步骤2.1接近段规划满足末端位置约束的弹跳轨迹接近段的目的是使着陆器以尽少的弹跳次数运动到目标点，选取角速度使得着陆器朝向目标点方向旋转，以增加每次弹跳的最大移动距离。接近段轨迹规划的目标是通过反馈校正得到弹跳距离系数λ使着陆器通过n次弹跳到达目标点并满足末端位置约束其中，ε为位置误差容限。将当前的弹跳距离系数λ代入公式(2)，得到每次弹跳期望的移动距离sk，由sk(α)曲线可以得到着陆器在每个碰撞点处的姿态角αk。需要注意的是，选取较大的碰撞点处姿态角时，下个碰撞点处速度的竖直分量更大；选取较小的碰撞点处姿态角时，下个碰撞点处速度的水平分量更大；当着陆器在碰撞点处速度的水平分量比竖直分量大时，容易发生滑动，并且不利于着陆器在水平方向的制动。因此在着陆姿态角存在多个解的情况下，应选取更大的着陆姿态角。第i次迭代中，通过动力学方程可以计算得到经过n次弹跳后碰撞点的横坐标xn,i，并计算反馈量Δλi其中，xt为目标点水平位置。得到新的弹跳距离系数λi+1＝λi+Δλi(6)通过多次迭代，对λ进行反馈校正，使着陆器在接近段经过n次弹跳后碰撞点逐渐趋向目标点，最终满足公式(6)所示的末端位置约束，并输出着陆器在接近段每次弹跳碰撞点处的姿态角。步骤2.2制动段规划满足末端速度约束的弹跳轨迹制动段的目的是削减着陆器水平速度，选取角速度使着陆器始终向目标的反方向旋转，可减小着陆器在每次弹跳碰撞点处最小水平速度。接近段最后一次弹跳结束后进入制动段，着陆器进行减速弹跳，根据vx(α)曲线可以得到第p次弹跳碰撞后的最大水平速度Vmax,p和最小水平速度Vmin,p，选取相应姿态角，使着陆器每次碰撞后水平速度最小，以尽少的弹跳次数削减本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.小行星着陆末段弹跳移动制导方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤一、建立着陆器在碰撞点处姿态与下个碰撞点处位置和速度的函数关系，使用弹跳距离系数调整着陆器每次弹跳距离的大小，从而决定整个弹跳过程着陆器的移动距离；根据着陆器每次弹跳移动最大距离，确定着陆器到目标位置所需的弹跳次数；通过定义弹跳距离系数，将多次弹跳的姿态序列规划问题简化为单个系数的求解问题；/n步骤二、将弹跳分为接近段和制动段，接近段弹跳次数为着陆器移动到目标点的最小弹跳次数n，对接近段的n次弹跳碰撞点位置进行规划，使着陆器弹跳轨迹满足末端位置约束；制动段进行减速弹跳，使着陆器弹跳轨迹满足末端速度约束，并反馈校正接近段最后一次弹跳距离；由轨迹规划得到着陆器到目标点的弹跳轨迹，并根据着陆器碰撞点姿态与碰撞后水平速度的函数关系输出每次弹跳碰撞点处着陆器的姿态序列；/n步骤三、在着陆器与小行星表面每次碰撞之前，根据碰撞点与目标点之间的距离完成弹跳轨迹，得到着陆器在该碰撞点处的姿态作为当前弹跳的制导指令；通过实时轨迹规划的方式，消除上次弹跳中参数扰动的影响，实现着陆器在目标点的精确附着。/n

【技术特征摘要】
1.小行星着陆末段弹跳移动制导方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、建立着陆器在碰撞点处姿态与下个碰撞点处位置和速度的函数关系，使用弹跳距离系数调整着陆器每次弹跳距离的大小，从而决定整个弹跳过程着陆器的移动距离；根据着陆器每次弹跳移动最大距离，确定着陆器到目标位置所需的弹跳次数；通过定义弹跳距离系数，将多次弹跳的姿态序列规划问题简化为单个系数的求解问题；
步骤二、将弹跳分为接近段和制动段，接近段弹跳次数为着陆器移动到目标点的最小弹跳次数n，对接近段的n次弹跳碰撞点位置进行规划，使着陆器弹跳轨迹满足末端位置约束；制动段进行减速弹跳，使着陆器弹跳轨迹满足末端速度约束，并反馈校正接近段最后一次弹跳距离；由轨迹规划得到着陆器到目标点的弹跳轨迹，并根据着陆器碰撞点姿态与碰撞后水平速度的函数关系输出每次弹跳碰撞点处着陆器的姿态序列；
步骤三、在着陆器与小行星表面每次碰撞之前，根据碰撞点与目标点之间的距离完成弹跳轨迹，得到着陆器在该碰撞点处的姿态作为当前弹跳的制导指令；通过实时轨迹规划的方式，消除上次弹跳中参数扰动的影响，实现着陆器在目标点的精确附着。


2.如权利要求1所述的小行星着陆末段弹跳移动制导方法，其特征在于：步骤一的具体实现方法为：
着陆器的动力学方程如下：



其中，m为着陆器质量，g为小行星重力加速度，(x,y)为着陆器位置，I为着陆器转动惯量，2l为着陆器边长，α为着陆器的姿态角，ω为着陆器的角速度，Ft为小行星表面对着陆器水平方向向作用力，Fn为小行星表面对其竖直方向作用力，Tc为着陆器控制力矩；
已知着陆器在当前碰撞点处的位置与速度，在角速度ω确定的情况下，得到着陆器弹跳距离随碰撞点处姿态角变化曲线s(α)，以及着陆器碰撞后水平速度随碰撞点处姿态角变化曲线vx(α)；为简化碰撞过程，将角速度规定为3个常值：顺时针旋转时使用角速度ω0、逆时针旋转时使用角速度-ω0、不发生旋转时角速度为0；
为使着陆器以尽量少的弹跳次数运动到目标位置，选取角速度使着陆器朝向目标点旋转；角速度确定后，得到第k次弹跳的弹跳距离随碰撞点处姿态角变化曲线sk(α)，从而得到第k次弹跳的期望弹跳距离sk
sk＝λSmax,k+(1-λ)Smin,k(2)
其中，Smax,k为每次弹跳的最大移动距离，Smin,k为每次弹跳的最小移动距离，Smax,k和Smin,k由sk(α)曲线求得；λ为弹跳距离系数，是0到1之间的实数；在弹跳次数确定的情况下，弹跳距离系数决定了着陆器每次弹跳距离的大小，从而决定整个弹跳过程着陆器的移动距离；
为了以尽少的弹跳次数到达目标点，需要着陆器每次弹跳移动最大距离，因此弹跳距离系数需要选择最大值；同时，由于参数扰动的影响，着陆器实际弹跳距离与期望弹跳距离存在误差，需要为反馈校正留有控制裕量，因此选取初始弹跳距离系数λ0为接近1的实数；将λ0代入公式(2)获得着陆器每次弹跳的期望移动距离，当碰撞点超过目标点时，得到着陆器移动到目标点的最小弹跳次数n



其中，xt为目标点水平位置。


3.如权利要求1所述的小行星着陆末段弹跳移动制导方法，其特征在于：步骤二的具体实现方法为：
步骤2.1接近段规划满足末端位置约束的弹跳轨迹
接近段的目的是使着陆器以尽少的弹跳次数运动到目标点，接近段轨迹规划的目标是通过反馈校正得到弹跳距离系数λ使着陆器通过n次弹跳到达目标点并满足末端位置约束



其中，ε为位置误差容限；

【专利技术属性】
技术研发人员：梁子璇，吕畅，崔平远，朱圣英，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