小天体柔性着陆器智能协同控制方法技术

本发明专利技术公开的小天体柔性着陆器智能协同控制方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术实现方法为：采用基于深度神经网络训练的柔性着陆器智能动力学模型代替离散曲率动力学模型。使用基于LSTM的RNN，学习柔性着陆器离散曲率动力学模型序列数据，训练柔性着陆器智能动力学模型，有利于避免序列过长导致的梯度消失问题，同时能够记忆柔性着陆器的运动演化规律，通过LSTM网络的记忆单元提取着陆器动力学模型数据在时间层面上的运动状态关联关系，利用运动状态关联关系提高对柔性着陆器动力学模型的拟合效率。本发明专利技术利用柔性着陆器智能动力学模型设计附着控制补偿项，减小着陆器运动误差，提高附着过程中对柔性着陆器的自主控制精度和实时性。度和实时性。度和实时性。

【技术实现步骤摘要】
小天体柔性着陆器智能协同控制方法


[0001]本专利技术涉及一种小天体附着阶段自主控制方法，尤其涉及一种基于循环神经网络的柔性着陆器协同控制方法，属于深空探测


技术介绍

[0002]随着小天体探测活动越来越频繁与深入的实施，未来的小天体表面附着任务对附着精度和安全性的要求将会进一步提高。如何设计更加适合小天体环境的附着方案，专利技术更加智能、更高精度、具备更强风险应对能力的着陆器控制算法，是当前面临的重要挑战。由于小天体附近引力弱、扰动多、不确定性强，微小的控制偏差就有可能导致着陆器接触表面时发生弹跳翻滚，导致传统的刚性着陆器设计方案和确定性的附着控制策略将不再适用。柔性化与智能化是未来小天体着陆器设计的趋势。一方面，柔性结构能有效吸收碰撞产生的能量，提高系统对控制偏差的宽容度，降低弹跳翻滚的概率，另一方面，将人工智能技术引入着陆器自主控制算法，能够增强控制系统对复杂柔性结构和不确知环境的适应能力，减小着陆器运动误差，进一步提高附着安全性。
[0003]当前，针对弱引力多约束环境的着陆轨迹优化与制导方法研究比较成熟，使用基于最本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.小天体柔性着陆器智能协同控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、随机给定柔性着陆器初始状态，使用高精度的柔性着陆器离散曲率动力学模型进行小天体柔性附着轨迹递推仿真，得到一系列离散曲率动力学模型下的着陆器节点运动状态与柔性内力数据对；步骤二、将步骤一仿真得到的柔性着陆器离散曲率动力学模型下的节点运动状态与柔性内力数据对代入柔性着陆器线性简化动力学模型，使用柔性着陆器线性简化动力学模型计算对应的内力，并与离散曲率动力学模型的内力做差，得到节点状态与模型内力差数据对；步骤三、根据步骤二得到的节点状态与模型内力差数据对的序列特性，构建基于长短期记忆结构LSTM的循环神经网络RNN，以节点状态与模型内力差数据对中的节点状态为输入，模型内力差为输出进行有监督训练；训练过程中，利用LSTM结构的记忆单元选择性更新机制避免序列过长导致的梯度消失问题，并通过记忆单元提取柔性着陆器动力学模型数据在时间层面上的运动状态关联关系，利用运动状态关联关系提高对柔性着陆器动力学模型的拟合效率；迭代训练过程直到RNN对柔性着陆器动力学模型拟合的泛化拟合误差低于指定值后，得到训练好的柔性着陆器动力学内力差模型；步骤四、将步骤三训练得到的柔性着陆器动力学内力差模型与线性简化模型叠加，得到柔性着陆器智能动力学模型，使用柔性着陆器智能动力学模型代替离散曲率动力学模型，提高控制系统动力学反演的实时性；将柔性着陆器智能动力学模型中内力差模型部分输出的内力差作为控制器智能补偿项，通过所述补偿项对柔性着陆器控制系统动力学反演计算进行补偿，提高柔性着陆器智能协同控制精度。2.如权利要求1所述的小天体柔性着陆器智能协同控制方法，其特征在于：步骤一的实现方法为，小天体柔性着陆器由两部分组成，一部分是N个安装执行机构和有效载荷的刚性模块，称为节点，另一部分则是包裹、连接这N个节点的柔性材料；展开后的柔性着陆器呈圆盘状，节点以中心对称的形式分布；着陆器的整体运动状态由节点的位置、速度、姿态与角速度信息综合反映；在目标小天体着陆点固连坐标系oxyz中，设着陆器三节点的位置、姿态四元数、速度和角速度矢量分别为r
i
、q
i
、v
i
和ω
i
(i＝1,2,3,
…
,N)，着陆器N
in
＝13
×
N维状态矢量x定义为柔性着陆器离散曲率动力学模型将着陆器的柔性结构部分依据表面的离散曲率特性划分为互不重叠的三角形单元，将柔性着陆器的运动与形变特性拆分为各离散单元的运动特性，根据柔性材料力学特性推导各单元间的相互作用，建立一系列运动微分方程并求解；借助柔性着陆器离散曲率动力学模型，得到当前时刻内三个节点受到的柔性连接内力作用，反应状态矢量x变化规律的动力学方程表示为
其中F
c
为作用在三节点上的主动控制力，g为节点受到的小天体表面引力及自旋惯性力，F
fe
和M
fe
分别为根据柔性着陆器离散曲率动力学模型预测的节点受到的柔性连接内力与内力矩，F
d
和M
d
分别为未建模的部分内力、内力矩以及随机环境扰动作用；m为单个节点等效质量，I为节点惯量矩阵，符号表示四元数直乘；使用上述动力学方程(2)进行柔性着陆器附着仿真，递推附着轨迹，给定着陆器初始状态与附着目标状态定义附着过程总飞行时间为t
f
，主动控制力F
c
使用基于多项式轨迹的开环制导律计算得出；对于节点i，附着过程的位置、速度和加速度为如下形式式中多项式系数矢量p
0i
～p
3i
根据式(3)给定的条件解算，进而得到控制力关于时间t的表达式F
c
(t)；将上述控制序列F
c
(t)代入动力学方程(2)进行附着过程动力学递推，得到一条开环控制下的附着轨迹，递推过程中将每一时间步的状态和对应柔性着陆器离散曲率动力学模型给出的柔性内力数据[x,F
fe
(x)]记录下来；通过在指定范围内随机生成若干不同的初始状态，分别进行附着轨迹递推以得到足够多的仿真数据，进入步骤二。3.如权利要求2所述的小天体柔性着陆器智能协同控制方法，其特征在于：步骤二实现方法为，柔性着陆器线性简化动力学模型将节点间的柔性连接作用近似等效为六自由度弹簧
‑
阻尼
‑
扭簧连接系统，将柔性着陆器形变...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵冬越，崔平远，葛丹桐，梁子璇，朱圣英，陈泽龙，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：