复杂小天体表面着陆避障常推力控制方法技术

本发明专利技术涉及一种复杂小天体表面着陆避障常推力控制方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术建立着陆点固连坐标系下的着陆器动力学方程；采用线性滑模面和改进人工势函数相结合的方法，设计滑模面和引力势函数系数；对地形障碍附近空间进行“危险区”，“膨胀预警区”，“安全区”分区，通过对各个障碍进行合并包围，对着陆障碍进行简化，提出新型斥力势函数，验证在着陆器、目标点和障碍物危险圆柱在水平方向上对齐且障碍物危险圆柱在两者中间的情况下，可有效逃离局部极小值点处；设计并改进常推力控制律；应用复杂小天体表面着陆避障常推力控制方法进行小行星着陆的控制，能够有效避免势函数制导法导致着陆器陷入局部极小值区域的问题。制导法导致着陆器陷入局部极小值区域的问题。制导法导致着陆器陷入局部极小值区域的问题。

【技术实现步骤摘要】
复杂小天体表面着陆避障常推力控制方法


[0001]本专利技术涉及一种复杂小天体表面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

[0002]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，山脊、低谷、凹坑和丘陵广泛分布，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。目前势函数制导法是常用的着陆器的自主避障方法，然而小天体复杂的地形环境会导致势函数制导法产生局部极小值问题，导致着陆器陷入局部极小值区域，无法到达目标着陆点。
[0003]在已发展的势函数着陆避障控制方法中，在先技术[1](Yuan,X.,et al.,Probability本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.复杂小天体表面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Σ
b
和着陆点固连坐标系Σ
l
，利用着陆器在Σ
b
系下的着陆动力学方程和两个坐标系之间的位置、速度转换关系推导出Σ
l
系下的着陆器动力学方程；以小天体质心为原点O
b
，小天体自旋轴为z
b
轴，小天体最小惯性轴为x
b
轴，通过右手法则定义y
b
轴建立小天体的固连坐标系O
b
‑
x
b
y
b
z
b
(Σ
b
)；以目标着陆点为原点O
l
，O
l
所在平面外法线方向为z
l
轴，以位于z
l
O
l
z
b
平面并垂直于z
l
轴指向小天体南极方向为x
l
轴，通过右手法则定义y
l
轴建立小天体的着陆点固连坐标系O
l
‑
x
l
y
l
z
l
(Σ
l
)；着陆器在Σ
b
系下的动力学方程为：其中r
b
和v
b
分别为着陆器在Σ
b
系下的位置矢量和速度矢量；ω＝[0,0,ω]
T
为小天体自转角速度矢量，假设小天体均匀旋转，即转角速度矢量，假设小天体均匀旋转，即为着陆器受到的小天体引力加速度；d
b
为Σ
b
系下干扰加速度，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；a
cb
为Σ
b
系下控制加速度；Σ
b
和Σ
l
之间，着陆器的位置和速度之间有着如下的坐标转换关系：其中，r
l
和v
l
分别为着陆器在Σ
l
系下的位置矢量和速度矢量，l
b
为在Σ
b
中的位置矢量；为从Σ
l
到Σ
b
下的坐标转换矩阵；着陆器在Σ
b
系下的动力学方程为：其中，d
l
为Σ
l
系下干扰加速度，a
cl
为Σ
l
系下控制加速度；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(4)代入公式(3)中，并引入控制加速度表达式，得到简化后的着陆动力学方程：其中，T
cl
为着陆器自带推力器产生的控制推力矢量，且有T
cli
∈{
‑
T,0,+T}(i＝1,2,3)，T为着陆器单轴所产生的推力大小，下标i表示变量x，y，z轴的分量；m为着陆器的质量，g0为
地球海平面处的标准引力加速度；I
sp
为推力器比冲；步骤2：采用线性滑模面和改进人工势函数相结合的方法，设计滑模面，同时设计引力势函数系数；在∑
l
系下期望的着陆目标点的状态向量的表达式为r
ld
＝[0,0,0]
T
m，对r
ld
求导，可得期望的着陆速度的表达式定义相对位置σ＝r
l
‑
r
ld
和相对速度在此基础上，利用相对速度向量建立具有人工势函数梯度的线性滑模面：其中：为梯度算子符号，φ为人工势函数，为人工势函数φ对着陆器位置向量的梯度；在着陆器的着陆控制过程中，为实现着陆器的障碍规避和精准软着陆，往往在控制系统中引入非负标量函数φ描述航天器在着陆过程中的地形障碍信息和相对位置状态信息，目标着陆点处的势函数值最低；φ通常由两部分组成：引力势函数φ
a
和斥力势函数φ
r
；φ的表达式为：φ＝φ
a
+φ
r
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(7)引力势函数用来描述着陆器所在位置与目标着陆点之间的相对位置关系，两者相对距离越远，引力势函数和吸引力数值越大，在吸引力的作用下，着陆器向势能减小的位置运动，并最终收敛到目标着陆点处，当着陆器到达目标着陆点时，引力势函数和吸引力的值全局最...

【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：