柔性着陆器智能附着控制方法技术

本发明专利技术公开的柔性着陆器智能附着控制方法，属于深空探测技术领域。本发明专利技术实现方法为：通过推力节点之间的高度差来表征柔性着陆器的整体姿态，将柔性着陆器的姿态控制问题转化为节点间高度差的控制问题；设计解析标称

【技术实现步骤摘要】
柔性着陆器智能附着控制方法


[0001]本专利技术涉及一种着陆器智能控制方法，尤其涉及一种柔性着陆器智能附着控制方法，属于深空探测


技术介绍

[0002]由于小天体具有引力弱、环境扰动复杂和表面形貌不规则的特点，传统的立方体构型刚性着陆器在着陆时存在较大的倾覆和逃逸风险。采用圆盘面状构型和柔性材质的新型着陆器，可以增大着陆时与小天体表面的接触面积，利用内部阻尼消耗着陆时的残余动能，从而降低倾覆反弹风险，提高着陆成功率。柔性着陆器的整体构型呈圆盘状，由柔性材料包裹连接多个刚性的质量聚集区构成。柔性着陆器的推力器和敏感器都安装在刚性质量聚集区。在着陆过程中，为保持或调整敏感器和推力器的指向，需要对柔性着陆器的姿态进行保持或调整。不同于对传统刚性着陆器的姿态控制，柔性着陆器姿态控制面临以下难点：一方面，柔性着陆器是无限维分布参数系统，整体姿态难以表征；另一方面，柔性着陆器由多对推力器协同控制，推力器之间的柔性连接使得推力作用耦合，姿控指令难以分配。对于柔性着陆器，研究合理的姿态表征方法，设计合理的控制律和分配律，协调各推力器完成对着陆器姿态保持和姿态机动的控制，对实现柔性着陆器在小天体表面的安全平稳着陆，是非常必要的。

技术实现思路

[0003]针对柔性着陆器的特殊构型和着陆过程中的姿态控制需求，本专利技术主要目的是提供一种柔性着陆器智能附着控制方法，通过推力节点之间的高度差来表征柔性着陆器的整体姿态，将柔性着陆器的姿态控制问题转化为节点间高度差的控制问题；设计解析标称
‑
智能补偿的节点高度差控制律，通过反馈节点高度差及其变化率设计解析标称控制项，通过神经网络学习确定智能补偿项，得到以节点推力差为控制量的解析标称
‑
智能补偿的节点高度差控制律；通过设计节点推力分配律，实现节点推力差控制量向各节点推力器的合理分配。应用所述的柔性着陆器智能附着控制方法，柔性着陆器能够协调各推力器的控制能力，完成整体姿态机动和姿态保持，控制过程具有良好的瞬态性能和稳态性能。
[0004]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0005]本专利技术公开的柔性着陆器智能附着控制方法，包括如下步骤：
[0006]步骤一、针对柔性着陆器系统高维复杂，整体姿态难以表征和控制的问题，以推力节点之间的高度差来描述柔性着陆器整体姿态，推导柔性着陆器俯仰和滚转姿态与节点高度差的转换关系，将柔性着陆器的姿态控制问题转化为对节点高度差的控制问题。
[0007]步骤一的具体实现方法为：
[0008]柔性着陆器上配置有推力器和敏感器的质量聚集区，称为节点。三节点的柔性着陆器在无形变的标称状态下，为标准圆盘状。三节点均匀分布在探测器表面，构成等边三角形。三节点按逆时针顺序编号为1、2和3，称为节点1、节点2和节点3。
[0009]在保留柔性特性和面状构型特性的前提下，建立面向节点的柔性着陆器简化模型。
[0010]定义着陆点坐标系o
L
‑
x
L
y
L
z
L
，以着陆点o
L
为原点，垂直于着陆点处小天体表面的法线方向为z
L
轴，小天体表面东向为x
L
轴，表面北向为y
L
轴。着陆点坐标系下，柔性着陆器的节点位置矢量r
i
为
[0011][0012]其中，i为推力节点编号(i＝1,2,3)，x
i
为节点i与着陆点连线在x
L
轴上的分量，y
i
为节点i与着陆点连线在y
L
轴上的分量，z
i
为节点i与着陆点连线在z
L
轴上的分量即节点i在小天体表面的高度。
[0013]柔性着陆器的质量集中在各节点处，柔性着陆器的质心为节点三角形的形心
[0014][0015]其中，r
c
为柔性着陆器的质心位置矢量。
[0016]对于圆盘面状构型的柔性着陆器，只考虑沿圆盘面径向的姿态倾转，以节点质心连线为轴，定义柔性着陆器俯仰姿态和滚转姿态。以柔性着陆器质心指向节点1的矢量r
c1
为轴，柔性着陆器的俯仰姿态用r
c1
与o
L
x
L
y
L
平面的夹角来表示，俯仰角θ的表达式为
[0017][0018]柔性着陆器的滚转姿态用节点3指向节点2的矢量r
32
与o
L
x
L
y
L
平面的夹角来表示，滚转角ψ的表达式为
[0019][0020]在着陆过程中，节点间的距离变化远小于节点距离原长，在计算俯仰和滚转姿态角的时候，忽略节点间的距离变化，近似的俯仰角和滚转角表达式为
[0021][0022]其中，L0为标称状态下的节点距离原长。
[0023]定义柔性着陆器节点之间的高度差变量H
[0024][0025]其中，h
12
为节点1与节点2的高度差，h
13
为节点1与节点3的高度差。
[0026]圆盘状柔性着陆器的俯仰和滚转姿态由节点之间的高度差来表征，高度差变量与俯仰角和滚转角的转换关系为
[0027][0028]由此，柔性着陆器的整体姿态控制问题转化为对节点高度差的控制问题。
[0029]步骤二、建立面向节点的柔性着陆器动力学模型，以节点推力差为控制量，设计解析标称
‑
智能补偿的节点高度差控制律。基于PD控制器实现对节点高度差及节点高度差变化率的反馈控制，并确定作为节点高度差控制律中的解析标称控制项。
[0030]步骤二的具体实现方法为：
[0031]着陆点坐标系下，面向节点的柔性着陆器着陆动力学模型为
[0032][0033]其中，v
i
＝[v
xi
,v
yi
,v
zi
]T
为节点i的速度，u
i
＝[u
xi
,u
yi
,u
zi
]T
为节点i的推力，m为每个节点的质量，f
i
＝[f
xi
,f
yi
,f
zi
]T
为节点i所受的柔性内力，a
ai
＝[a
axi
,a
ayi
,a
azi
]T
为节点i受小天体环境力而产生的加速度。
[0034]由于柔性着陆器尺寸远小于小天体尺寸，认为各节点处所受的小天体环境外力相等。由着陆动力学知，节点高度方向间的加速度差仅与节点高度方向的推力差和柔性内力差有关，即
[0035][0036]其中，U
12
为节点1与节点2在高度方向所受推力之差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.柔性着陆器智能附着控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、以推力节点之间的高度差来描述柔性着陆器整体姿态，推导柔性着陆器俯仰和滚转姿态与节点高度差的转换关系，将柔性着陆器的姿态控制问题转化为对节点高度差的控制问题；步骤二、建立面向节点的柔性着陆器动力学模型，以节点推力差为控制量，设计解析标称
‑
智能补偿的节点高度差控制律；基于PD控制器实现对节点高度差及节点高度差变化率的反馈控制，并确定作为节点高度差控制律中的解析标称控制项；步骤三、基于神经网络学习，建立节点状态量与节点柔性内力差之间的智能映射函数，作为节点高度差控制律中的智能补偿项；通过智能补偿项的加权切换系数，避免对柔性着陆器的控制进入稳态后出现柔性内力过补偿；与步骤二建立的解析标称控制项组合，得到解析标称
‑
智能补偿的节点高度差控制律；步骤四、设计节点推力分配律，将步骤三建立的解析标称
‑
智能补偿的节点高度差控制律中的节点推力差控制量分配到各节点推力器上，使推力幅值受限的各节点推力器能充分利用自身控制能力，实现对柔性着陆器整体姿态的智能协同控制。2.如权利要求1所述的柔性着陆器智能附着控制方法，其特征在于：步骤一的具体实现方法为，柔性着陆器上配置有推力器和敏感器的质量聚集区，称为节点；三节点的柔性着陆器在无形变的标称状态下，为标准圆盘状；三节点均匀分布在探测器表面，构成等边三角形；三节点按逆时针顺序编号为1、2和3，称为节点1、节点2和节点3；在保留柔性特性和面状构型特性的前提下，建立面向节点的柔性着陆器简化模型；定义着陆点坐标系o
L
‑
x
L
y
L
z
L
，以着陆点o
L
为原点，垂直于着陆点处小天体表面的法线方向为z
L
轴，小天体表面东向为x
L
轴，表面北向为y
L
轴；着陆点坐标系下，柔性着陆器的节点位置矢量r
i
为r
i
＝[x
i
,y
i
,z
i
]
T (1)其中，i为推力节点编号(i＝1,2,3)，x
i
为节点i与着陆点连线在x
L
轴上的分量，y
i
为节点i与着陆点连线在y
L
轴上的分量，z
i
为节点i与着陆点连线在z
L
轴上的分量即节点i在小天体表面的高度；柔性着陆器的质量集中在各节点处，柔性着陆器的质心为节点三角形的形心其中，r
c
为柔性着陆器的质心位置矢量；对于圆盘面状构型的柔性着陆器，只考虑沿圆盘面径向的姿态倾转，以节点质心连线为轴，定义柔性着陆器俯仰姿态和滚转姿态；以柔性着陆器质心指向节点1的矢量r
c1
为轴，柔性着陆器的俯仰姿态用r
c1
与o
L
x
L
y
L
平面的夹角来表示，俯仰角θ的表达式为柔性着陆器的滚转姿态用节点3指向节点2的矢量r
32
与o
L
x
L
y
L
平面的夹角来表示，滚转角ψ的表达式为
在着陆过程中，节点间的距离变化远小于节点距离原长，在计算俯仰和滚转姿态角的时候，忽略节点间的距离变化，近似的俯仰角和滚转角表达式为其中，L0为标称状态下的节点距离原长；定义柔性着陆器节点之间的高度差变量H其中，h
12
为节点1与节点2的高度差，h
13
为节点1与节点3的高度差；圆盘状柔性着陆器的俯仰和滚转姿态由节点之间的高度差来表征，高度差变量与俯仰角和滚转角的转换关系为由此，柔性着陆器的整体姿态控制问题转化为对节点高度差的控制问题。3.如权利要求1或2所述的柔性着陆器智能附着控制方法，其特征在于：步骤二的具体实现方法为，着陆点坐标系下，面向节点的柔性着陆器着陆动力学模型为其中，v
i
＝[v
xi
,v
yi
,v
zi
]
T
为节点i的速度，u
i
＝[u
xi
,u
yi
,u
zi
]
T
为节点i的推力，m为每个节点的质量，f
i
＝[f
xi
,f
yi
,f
zi
]
T
为节点i所受的柔性内力，a
ai...

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