一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法技术

一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法，在控制策略上，针对伞

【技术实现步骤摘要】
一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法


[0001]本专利技术涉及一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法，特别是一种探测器在火星软着陆过程中进行障碍检测与规避的逻辑和时序控制方法，属于地外天体软着陆控制


技术介绍

[0002]火星进入、下降与着陆(Entry、Descent and Landing，EDL)过程从探测器接触火星大气进入点开始，到安全着陆火星表面结束。主要包括气动减速、伞降减速和动力减速等关键阶段，如图1所示。本专利技术所涉及的技术主要用于动力减速段，这一阶段可进一步分为动力规避、悬停成像、避障机动和缓速下降等阶段，主要通过主发动机进行制动减速，并完成伞
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背罩组合体的规避以及对着陆区地形的障碍检测与规避，从而实现安全着陆。
[0003]与地球大气再入过程以及月球着陆过程的情况不同，火星EDL过程时间很短(7～9分钟左右)，而地面测控时延大(十几分钟)，要求着陆过程探测器具备完全自主的能力；火星大气环境复杂多变，进入舱的进入状态、气动参数等具有较大不确定性，整个EDL过程时序复杂、动态范围大，从而会造成较大的落点误差，同时火星表面地形复杂且无落区地形地貌高分辨率的先验数据，因此要求探测器在着陆过程中能够自主快速进行障碍识别与规避，具备在复杂地形中安全着陆的能力。此外，在伞
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背罩组合体与着陆平台分离后，伞
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背罩组合体与着陆平台各自继续飞行，伞
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背罩组合体可能与着陆平台发生碰撞，也可能罩住着陆平台，因此，还需使着陆平台对伞
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背罩组合体具备自主规避的能力。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法，在控制策略上，针对伞
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背罩组合体与地形地貌障碍统一规避的新需求，采用了粗避障和伞
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背罩组合体规避的协同控制策略。在悬停精避障阶段，在激光三维成像的基础上，增加了利用光学避障敏感器和多功能避障敏感器光学避障模块进行双目精避障的冗余策略。针对火星进入、下降与着陆过程的强时序要求，提供了进入下降控制单元、多功能避障敏感器和光学避障敏感器之间的数据传输和信息交互等工作时序，保证了在短时间内自主、快速地完成避障任务。
[0005]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：
[0006]一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法，探测器上配置有进入下降控制单元、多功能避障敏感器和光学避障敏感器，其中，进入下降控制单元包括控制计算机板和图像处理板，用于安全着陆点解算和避障控制，多功能避障敏感器和光学避障敏感器用于获取着陆区图像数据，多功能避障敏感器包括激光三维成像模块和光学成像模块，包括如下步骤：
[0007]当探测器的高度下降到第一预设门限时，对探测器的水平速度进行判断；如果探测器的水平速度大于预设门限进行粗避障，否则进行背罩规避；
[0008]粗避障的方法为：利用光学成像模块或光学避障敏感器，基于设定安全区搜索范围，获取着陆区表面图像，确定安全着陆点信息；
[0009]背罩规避的方法为：利用光学成像模块或光学避障敏感器，基于背罩规避参数信息，获取着陆区表面图像，确定安全着陆点信息；
[0010]当探测器的高度继续下降到第二预设门限时，进行精避障；
[0011]精避障的方法为：对图像最多进行三次处理，其中前两次用激光三维成像模块获取的数据，第三次用光学避障敏感器和光学成像模块获取的数据，任一次图像处理后能够获得安全着陆点信息，则完成精避障。
[0012]优选的，粗避障的时序为：
[0013]1)控制计算机板在探测器到达第一预设门限高度对应的当拍控制周期，停止发送在轨周期性拍图指令；
[0014]2)间隔4个周期后，控制计算机板向主/备份图像处理板发送校时指令，并置图像处理板的主份当班；
[0015]3)在满足进行光学成像的高度和姿态角速度时，控制计算机板向图像处理板的主份发送APS成像数据指令，并设定安全区搜索范围，同时记为第1个周期，记录发指令周期以及下一周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算，同时获取图像处理板的主份应答，若通讯正常，转步骤4)；若发生通讯错误，则控制计算机板指定图像处理板的备份当班，转步骤5)；
[0016]4)控制计算机板在第13个周期，向图像处理板的主份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率，转步骤6)；若图像处理板的主份未获得安全点解算结果，转入步骤5)；
[0017]5)控制计算机板在第14个周期，控制计算机板向图像处理板的备份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；
[0018]6)控制计算机板在第49个周期，恢复发送在轨周期性拍图指令。
[0019]优选的，背罩规避的时序为：
[0020]1)控制计算机板在探测器高度到达第一预设门限高度对应的当拍控制周期，停止发送在轨周期性拍图指令；
[0021]2)间隔4个周期后，控制计算机板向主/备份图像处理板发送校时指令，并置图像处理板的主份当班；
[0022]3)在满足进行光学成像的高度和姿态角速度时，控制计算机板向图像处理板的主份发送APS成像数据指令，并发送背罩规避参数信息，同时记为第1个周期，记录发指令周期以及下一周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算，同时获取图像处理板的主份应答，若通讯正常，转步骤4)；若发生通讯错误，则控制计算机板指定图像处理板的备份当班，转步骤5)；
[0023]4)控制计算机板在第13个周期，向图像处理板的主份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率，转步骤6)；若图像处理板的主份未获得安全点解算结果，转入步骤5)；
[0024]5)控制计算机板在第14个周期，控制计算机板向图像处理板的备份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；
[0025]6)控制计算机板在第49个周期，恢复发送在轨周期性拍图指令。
[0026]优选的，精避障的时序为：
[0027]1)在探测器到达预设高度，且地面事先设定允许进行激光三维精避障或双目精避障时,控制计算机板停止发送在轨周期性拍图指令，启动精避障流程；
[0028]2)间隔32个控制周期，若地面事先设定允许进行双目精避障，控制计算机向主/备份图像处理板发送双目标定指令；
[0029]3)在悬停高度、速度、姿态角度满足拍图条件的当拍周期，记为第0个控制周期，若事先设定允许进行激光三维精避障，则控制计算机板向多功能避障敏感器发送成像指令，向主/备份图像处理板发送校时指令；若事先设定不允许进行激光三维精避障，则记当前控制周期为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于火星着陆的多策略避障逻辑及控制方法，探测器上配置有进入下降控制单元、多功能避障敏感器和光学避障敏感器，其中，进入下降控制单元包括控制计算机板和图像处理板，用于安全着陆点解算和避障控制，多功能避障敏感器和光学避障敏感器用于获取着陆区图像数据，多功能避障敏感器包括激光三维成像模块和光学成像模块，其特征在于，包括如下步骤：当探测器的高度下降到第一预设门限时，对探测器的水平速度进行判断；如果探测器的水平速度大于预设门限进行粗避障，否则进行背罩规避；粗避障的方法为：利用光学成像模块或光学避障敏感器，基于设定安全区搜索范围，获取着陆区表面图像，确定安全着陆点信息；背罩规避的方法为：利用光学成像模块或光学避障敏感器，基于背罩规避参数信息，获取着陆区表面图像，确定安全着陆点信息；当探测器的高度继续下降到第二预设门限时，进行精避障；精避障的方法为：对图像最多进行三次处理，其中前两次用激光三维成像模块获取的数据，第三次用光学避障敏感器和光学成像模块获取的数据，任一次图像处理后能够获得安全着陆点信息，则完成精避障。2.根据权利要求1所述的多策略避障逻辑及控制方法，其特征在于，粗避障的时序为：1)控制计算机板在探测器到达第一预设门限高度对应的当拍控制周期，停止发送在轨周期性拍图指令；2)间隔4个周期后，控制计算机板向主/备份图像处理板发送校时指令，并置图像处理板的主份当班；3)在满足进行光学成像的高度和姿态角速度时，控制计算机板向图像处理板的主份发送APS成像数据指令，并设定安全区搜索范围，同时记为第1个周期，记录发指令周期以及下一周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算，同时获取图像处理板的主份应答，若通讯正常，转步骤4)；若发生通讯错误，则控制计算机板指定图像处理板的备份当班，转步骤5)；4)控制计算机板在第13个周期，向图像处理板的主份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率，转步骤6)；若图像处理板的主份未获得安全点解算结果，转入步骤5)；5)控制计算机板在第14个周期，控制计算机板向图像处理板的备份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；6)控制计算机板在第49个周期，恢复发送在轨周期性拍图指令。3.根据权利要求1所述的多策略避障逻辑及控制方法，其特征在于，背罩规避的时序为：1)控制计算机板在探测器高度到达第一预设门限高度对应的当拍控制周期，停止发送在轨周期性拍图指令；2)间隔4个周期后，控制计算机板向主/备份图像处理板发送校时指令，并置图像处理板的主份当班；3)在满足进行光学成像的高度和姿态角速度时，控制计算机板向图像处理板的主份发
送APS成像数据指令，并发送背罩规避参数信息，同时记为第1个周期，记录发指令周期以及下一周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后着陆平台相对安全着陆点的相对导航位置和速度信息的解算，同时获取图像处理板的主份应答，若通讯正常，转步骤4)；若发生通讯错误，则控制计算机板指定图像处理板的备份当班，转步骤5)；4)控制计算机板在第13个周期，向图像处理板的主份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率，转步骤6)；若图像处理板的主份未获得安全点解算结果，转入步骤5)；5)控制计算机板在第14个周期，控制计算机板向图像处理板的备份发安全点获取指令，获取安全点单位矢量及安全概率等信息，转步骤6)；6)控制计算机板在第49个周期，恢复发送在轨周期性拍图指令。4.根据权利要求1所述的多策略避障逻辑及控制方法，其特征在于，精避障的时序为：1)在探测器到达预设高度，且地面事先设定允许进行激光三维精避障或双目精避障时,控制计算机板停止发送在轨周期性拍图指令，启动精避障流程；2)间隔32个控制周期，若地面事先设定允许进行双目精避障，控制计算机向主/备份图像处理板发送双目标定指令；3)在悬停高度、速度、姿态角度满足拍图条件的当拍周期，记为第0个控制周期，若事先设定允许进行激光三维精避障，则控制计算机板向多功能避障敏感器发送成像指令，向主/备份图像处理板发送校时指令；若事先设定不允许进行激光三维精避障，则记当前控制周期为第59控制周期，转入步骤9)；4)控制计算机板向在第4、5个控制周期发送激光三维图像数据指令，同时记录第5个控制周期的绝对星时t、惯性系姿态四元数q、惯性系位置矢量r_I，用于获取到安全着陆点信息后...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旺旺，赵宇，王晓磊，徐李佳，王云鹏，郝策，陈尧，杨晓龙，华宝成，朱飞虎，李涛，张琳，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：