一種燃料最省的火星復(fù)雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種燃料最省的火星復(fù)雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法，屬于行星著陸【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明方法首先建立火星動(dòng)力下降動(dòng)力學(xué)模型，然后根據(jù)目標(biāo)著陸地形建立了導(dǎo)航函數(shù)，通過導(dǎo)航函數(shù)求解的避障控制力能夠有效避免著陸器與障礙發(fā)生碰撞，并安全著陸到目標(biāo)著陸點(diǎn)。本發(fā)明將求解的避障控制力引入到火星動(dòng)力下降動(dòng)力學(xué)方程中，控制力有一部分用于實(shí)現(xiàn)障礙規(guī)避，再對(duì)改造的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行著陸軌跡優(yōu)化，則能夠?qū)崿F(xiàn)障礙規(guī)避的同時(shí)節(jié)省動(dòng)力下降軌跡的燃料消耗。本發(fā)明給出的火星復(fù)雜地形區(qū)的著陸軌跡優(yōu)化方法既能考慮到目標(biāo)著陸區(qū)的地形，也能有效降低燃料消耗，避免了傳統(tǒng)最優(yōu)軌跡和障礙規(guī)避中分別存在無法對(duì)障礙進(jìn)行規(guī)避和燃料消耗多的缺點(diǎn)。
【專利說明】一種燃料最省的火星復(fù)雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種燃料最省的火星復(fù)雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法，屬于行星著 陸【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，火星探測成為目前深空探 測的熱點(diǎn)之一，這其中又尤其以火星著陸探測任務(wù)最具有科學(xué)意義與挑戰(zhàn)性。由于火星復(fù) 雜地形區(qū)域具有更高的科學(xué)探測價(jià)值，因而，為了取得突破性科學(xué)成果，未來著陸器需要具 備在復(fù)雜地形區(qū)域著陸的能力。為了減少動(dòng)力下降過程的燃料消耗，降低任務(wù)成本，非常有 必要研究燃料最優(yōu)的著陸軌跡。
[0003] 目前，在火星動(dòng)力下降過程中，分別針對(duì)燃料最優(yōu)和復(fù)雜地形區(qū)的障礙規(guī)避進(jìn)行 了研究。燃料最優(yōu)軌跡主要分為離線和在線兩種生成方式。其中，在線生成最優(yōu)軌跡對(duì)計(jì) 算機(jī)的計(jì)算能力要求較高，短期內(nèi)仍難以在工程上實(shí)施。離線生成最優(yōu)軌跡并存儲(chǔ)在星載 計(jì)算機(jī)能夠避免上述問題，在工程上有較多應(yīng)用。目前，最優(yōu)軌跡均是在假設(shè)滑翔角度約束 的基礎(chǔ)上生成，該角度約束是根據(jù)著陸區(qū)障礙大小定義的，在著陸區(qū)存在較大障礙以及地 形復(fù)雜等情況下，會(huì)極大的降低著陸軌跡的解空間，甚至產(chǎn)生無解的情況。另外，目前對(duì)障 礙規(guī)避方法也進(jìn)行了相關(guān)研究，但是并沒有考慮在障礙規(guī)避過程中的燃料消耗問題。
[0004] 研究火星復(fù)雜地形區(qū)著陸軌跡優(yōu)化方法有望降低動(dòng)力下降過程的燃料消耗并避 免與障礙發(fā)生碰撞，是降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)和成本的有效方法，有望實(shí)現(xiàn)未來對(duì)復(fù)雜地形區(qū)進(jìn)行 著陸探測。
[0005] 已發(fā)展的動(dòng)力下降最優(yōu)軌跡，在先技術(shù)[1](參見Ufuk Topcu, Jordi Casoliva, and Kenneth D. Mease. Minimum-Fuel Powered Descent for Mars Pinpoint Landing[J]· Journal of Spacecraft and Rockets. 2007, 44(2) :324-331.)描述了火星著 陸器動(dòng)力下降階段的最小燃料問題，推導(dǎo)了最小燃料著陸軌跡的必要條件，給出了最小燃 料的數(shù)值解，并說明了最優(yōu)著陸推力為bang-bang控制形式。如果不考慮地形的影響，該方 法能夠有效對(duì)著陸的最優(yōu)軌跡進(jìn)行求解并分析，然而，復(fù)雜地形區(qū)的障礙會(huì)對(duì)著陸器產(chǎn)生 非常大的威脅，能夠大大增加復(fù)雜地形區(qū)著陸任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0006] 已發(fā)展的障礙規(guī)避方法中，在先技術(shù)[2](參見Edward C. Wong and Gurkirpal Singh et al. , Guidance and Control Design for Hazard Avoidance and Safe Landing on Mars [J]· Journal of Spacecraft And Rockets, 2006, 43 (2) :378_384)，美國 NASA下屬 JPL實(shí)驗(yàn)室與約翰遜空間中心聯(lián)合開發(fā)了一套著陸器著陸過程中的障礙規(guī)避控制算法。該 算法根據(jù)事先選擇的著陸點(diǎn)，利用導(dǎo)航系統(tǒng)給出的著陸器當(dāng)前位置與速度信息采用多項(xiàng)式 形式規(guī)劃規(guī)避軌跡。該算法在保留了算法簡單、計(jì)算時(shí)間少等特點(diǎn)。但是忽略了障礙規(guī)避 過程的燃料消耗問題，可能增加沒有必要的燃料消耗，間接增大任務(wù)的成本。
[0007] 已有的火星動(dòng)力下降最優(yōu)軌跡求解方法和障礙規(guī)避方法雖然都能分別的完成求 解最優(yōu)軌跡和進(jìn)行障礙規(guī)避，但對(duì)于復(fù)雜地形區(qū)著陸任務(wù)，燃料最省和避障能力需要同時(shí) 具備，否則就容易引起發(fā)生碰撞危險(xiǎn)或者增加任務(wù)成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是為解決火星復(fù)雜地形區(qū)安全著陸問題，提出一種燃料最省的火星 復(fù)雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法，應(yīng)用于火星復(fù)雜地形區(qū)著陸，能夠?qū)崿F(xiàn)障礙規(guī)避的同 時(shí)節(jié)省動(dòng)力下降軌跡的燃料消耗。
[0009] 本發(fā)明方法根據(jù)目標(biāo)著陸地形建立了導(dǎo)航函數(shù)，通過導(dǎo)航函數(shù)求解的避障控制力 能夠有效避免著陸器與障礙發(fā)生碰撞，并安全著陸到目標(biāo)著陸點(diǎn)。本發(fā)明將求解的避障控 制力引入到火星動(dòng)力下降動(dòng)力學(xué)方程中，控制力有一部分用于實(shí)現(xiàn)障礙規(guī)避。然后再對(duì)改 造的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行著陸軌跡優(yōu)化，則能夠?qū)崿F(xiàn)障礙規(guī)避的同時(shí)節(jié)省動(dòng)力下降軌跡的燃料 消耗。
[0010] 本發(fā)明方法具體通過如下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0011] 步驟一，建立火星動(dòng)力下降動(dòng)力學(xué)模型。
[0012] 為了描述著陸器的運(yùn)動(dòng)，首先建立著陸點(diǎn)固連坐標(biāo)系o-ij)/；，其中原點(diǎn)為預(yù)定的 著陸點(diǎn)，i和，軸在水平面，{軸堅(jiān)直向上。x、y、h為著陸器位置，vx，vy和vh分別為三軸方 向的速度，m為著陸器的質(zhì)量，為關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間變化。將著陸器視為質(zhì)點(diǎn)，對(duì)時(shí)間 求導(dǎo)，建立動(dòng)力下降動(dòng)力學(xué)模型為：

【權(quán)利要求】
1. 一種燃料最省的火星復(fù)雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法，其特征在于：具體包括如 下步驟： 步驟一，建立火星動(dòng)力下降動(dòng)力學(xué)模型； 為了描述著陸器的運(yùn)動(dòng)，首先建立著陸點(diǎn)固連坐標(biāo)系其中原點(diǎn)為預(yù)定的著陸 點(diǎn)，;^和3>軸在水平面J軸堅(jiān)直向上；X、y、h為著陸器位置，vx，Vy和Vh分別為三軸方向的速 度，m為著陸器的質(zhì)量，為關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間變化；將著陸器視為質(zhì)點(diǎn)，對(duì)時(shí)間求導(dǎo)， 建立動(dòng)力下降動(dòng)力學(xué)模型為：
其中，g和g〇分別為火星和地球表面的重力加速度，n為推力發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)量，Isp為推力 發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖，T為推力發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力，為推力發(fā)動(dòng)機(jī)與合力方向的夾角，U= [Ux Uy Uh]為三軸方向的控制向量；通過調(diào)節(jié)控制向量能夠控制著陸器的運(yùn)動(dòng)軌跡；由于推力發(fā)動(dòng) 機(jī)打開后，則在整個(gè)著陸過程持續(xù)工作，因而著陸過程中控制向量需要滿足如下關(guān)系：
其中Umin和u_分別為控制向量的最小值和最大值；其中，u= 0表示推力發(fā)動(dòng)機(jī)處于 關(guān)閉狀態(tài)，U= 1表示推力發(fā)動(dòng)機(jī)以最大推力運(yùn)行； 步驟二，建立導(dǎo)航函數(shù)； 根據(jù)已獲得的火星地形數(shù)據(jù)，通過最小二乘擬合等方式獲得目標(biāo)著陸區(qū)的障礙信息， 構(gòu)建如下形式的導(dǎo)航函數(shù)：
其中，
為著陸器的平面位置向量，qd為目標(biāo)著陸點(diǎn)的位置向量，P(q)為障 礙函數(shù)，定義為如下形式：
其中，M為障礙的數(shù)量，％為第j個(gè)障礙的位置，P^為第j個(gè)障礙的大小； 利用導(dǎo)航函數(shù)的梯度信息生成避障力F能夠阻止著陸器接近障礙：
其中，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別為在三個(gè)軸方向產(chǎn)生的障礙規(guī)避力，K為增益系數(shù)，用于調(diào)節(jié)生成 規(guī)避力的大??； 步驟三，獲得最小燃料的障礙規(guī)避軌跡； 通過將步驟2利用導(dǎo)航函數(shù)生成的避障力F引入步驟1的動(dòng)力學(xué)模型中，則推力發(fā)動(dòng) 機(jī)的推力被分為避障力F和控制力兩部分，形成的改造后動(dòng)力學(xué)方程如下：

則合力的控制向量為unrt =u+uF ;在實(shí)際著陸任務(wù)中，利用導(dǎo)航函數(shù)生成 的避障力實(shí)際上也是由推力發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生，因而，合力的控制向量受如下約束： 〇< Umin ^ Unet ^ Umax ^ 1 其中，Unrt是合力Unrt的大??； 采用高斯偽譜方法對(duì)改造的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化初始值為著陸器開始著陸時(shí)刻 的初始狀態(tài)，目標(biāo)為著陸器目標(biāo)著陸狀態(tài)，優(yōu)化性能指標(biāo)為燃料消耗最小，優(yōu)化結(jié)果即為燃 料最省的著陸軌跡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種燃料最省的火星復(fù)雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法，其 特征在于：步驟三所述的高斯偽譜方法的優(yōu)化性能指標(biāo)J= _m(tf)，著陸器初始狀態(tài)為Xtl = [x(tQ)y(tQ)h(tQ)vx(tQ)vy(tQ)vh(tQ)m(tQ)]，著陸器目標(biāo)著陸狀態(tài)為Xf=[x(tf) y(tf)h(tf)vx(tf)vy(tf)vh(tf)]，其中tQ = 0為開始著陸時(shí)亥lj，tf為著陸任務(wù)完成的時(shí) 刻。
【文檔編號(hào)】G05D1/10GK104267734SQ201410376959
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月1日
【發(fā)明者】崔平遠(yuǎn), 胡海靜, 朱圣英, 高艾, 徐瑞 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)