本發(fā)明屬于航天器近距離軌跡規(guī)劃，具體涉及一種航天器自適應(yīng)調(diào)節(jié)動態(tài)避障精度的軌跡規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、過去幾十年來，隨著航天器技術(shù)的發(fā)展，空間中碎片和航天器數(shù)量急劇增加，這對于航天器的在軌飛行安全造成極大的威脅，因此包含避障的相對運動軌跡規(guī)劃是空間近距離操作的關(guān)鍵技術(shù)之一。對動態(tài)障礙物的規(guī)避約束會加劇航天器運動的非凸性和復(fù)雜性，同時航天器軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)具有快速性要求，由于星載計算能力的限制，使得在線軌跡規(guī)劃十分困難。本發(fā)明聚焦于如何提升凸優(yōu)化在航天器動態(tài)避障軌跡規(guī)劃問題中的快速性和避障精確性開展研究。

2、航天器避障軌跡規(guī)劃方法可以大致分為三類：基于計算碰撞概率的方法、基于添加人工勢函數(shù)的方法和基于數(shù)值優(yōu)化的方法。p.r.patera等人基于碰撞概率在航天器碰撞預(yù)警方面提出了較為成熟的理論，并且進一步從碰撞概率的角度設(shè)計避障機動策略；國內(nèi)的研究者在此基礎(chǔ)上對線性和非線性模型的碰撞概率計算函數(shù)進行了深入研究。該類方法的計算精度受到模型限制，而且可靠性和置信度需要進一步研究，并且無法實時地計算碰撞概率。

3、人工勢函數(shù)的方法首先由khatib提出并應(yīng)用在地面機器人的路徑規(guī)劃上，后來zeng將其應(yīng)用在航天器規(guī)避空間目標(biāo)的軌跡規(guī)劃任務(wù)中，lin等通過勢函數(shù)構(gòu)造最優(yōu)控制問題，提出一種能夠保證航天器碰撞避免并且能夠以最優(yōu)性能指標(biāo)跟蹤參考軌跡的方法，liu等人利用apf解決了對非合作目標(biāo)航天器的自主交會對接任務(wù)。人工勢函數(shù)方法計算量小，實時性好，避障軌跡平滑，而且具有較高的工程應(yīng)用價值。但是當(dāng)力場參數(shù)選擇不恰當(dāng)或者在障礙物周圍發(fā)生抖震而陷入局部最優(yōu)點時，會導(dǎo)致避障失敗。此外，人工勢場法不具備尋優(yōu)功能，生成的路徑雖然可以實現(xiàn)避障，但不一定是最優(yōu)避障路徑。

4、基于數(shù)值優(yōu)化的方法是將避障軌跡規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為多約束條件下的最優(yōu)控制問題(ocp)。由于凸優(yōu)化具有在較短時間內(nèi)收斂到最優(yōu)解的優(yōu)勢，因此常被用來解決航天應(yīng)用中的軌跡規(guī)劃問題。但是在實際的工程應(yīng)用中，大多數(shù)的問題都不具備凸的形式，尤其是由于非線性動力學(xué)模型和避障約束帶來的非凸性。因此將非凸問題轉(zhuǎn)化為能夠適用于在凸優(yōu)化框架下求解的模型，是更好地使用凸優(yōu)化技術(shù)的一個前提。典型的例子包括將凸優(yōu)化應(yīng)用于行星進入問題，小行星著陸問題，航天器在開普勒軌道上的交會和接近操作問題以及編隊重構(gòu)問題。將原始ocp轉(zhuǎn)化為一系列近似的凸子問題并通過迭代逐步逼近原問題的過程叫做序列凸優(yōu)化(scp)，當(dāng)?shù)馐諗繒rscp過程的近似子問題將和原問題相等，并且可以輸出唯一最優(yōu)解。因此很多針對包含非凸約束的ocps求解方法都建立在了scp的基礎(chǔ)上，liu和lu在文獻[16]中提出一種利用二階錐規(guī)劃逐次求解包含非凸約束ocp的方法，證明了scp迭代解與原始問題karush-kuhn-tucker(kkt)解的等價性，但是后來的研究表明scp迭代的可行性和收斂方向在很大程度上受到初值影響，較差的初值可能會導(dǎo)致迭代子問題與原始問題存在較大偏差，從而導(dǎo)致迭代中斷。因此為了降低初值對scp算法的影響，mao等人首先在scp框架內(nèi)加入了懲罰函數(shù)，然后在原始約束中加入虛擬控制變量并將其在性能指標(biāo)中進行懲罰來避免凸化處理導(dǎo)致的不可行性，只要迭代解被限制在一個良好的信任域內(nèi)就可以保證scp的收斂。此外，由于凸優(yōu)化是一種直接法，因此需要對其進行離散化處理。目前用于將凸優(yōu)化中的動力學(xué)方程進行離散化的方法包括零/一階保持法、經(jīng)典的runge-kutta法和全局偽譜法。這些方法中除了（自適應(yīng)）偽譜法外，其他方法在凸優(yōu)化中都采用均勻離散化，而離散點越密集精度越高，但是優(yōu)化的變量也會顯著增加，所以有必要引入離散點自適應(yīng)調(diào)整策略。

5、文獻中的研究雖然能夠在一定程度上解決航天器避障軌跡快速規(guī)劃問題，但是文獻中的人工勢函數(shù)方法和基于碰撞概率的方法都無法保證軌跡的最優(yōu)性；此外，凸優(yōu)化方法在求解時采用的是均勻離散化方式，這樣可能會導(dǎo)致無法保證避障安全性或求解速率較慢的問題；最后，利用序列凸優(yōu)化的文獻最終都被發(fā)現(xiàn)對初值敏感或迭代不可行的問題，這與凸優(yōu)化方法對初值不敏感的優(yōu)勢相違背。這些問題都會使得軌跡規(guī)劃問題的在線求解存在困難。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，聚焦于使用凸優(yōu)化方法解決空間近距離固定時間軌道轉(zhuǎn)移過程中對動態(tài)障礙物規(guī)避約束下的快速軌跡規(guī)劃問題，本發(fā)明結(jié)合lqr、人工勢函數(shù)和凸優(yōu)化方法提出一種航天器自適應(yīng)調(diào)節(jié)動態(tài)避障精度的軌跡規(guī)劃方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高避障精度軌跡的快速求解。

2、為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種航天器自適應(yīng)調(diào)節(jié)動態(tài)避障精度的軌跡規(guī)劃方法，包括以下步驟：

4、步驟1、設(shè)計基于事件觸發(fā)的初始可行軌跡快速生成方法，以快速確定離散點調(diào)整區(qū)間以及為凸優(yōu)化提供良好的初值；

5、步驟2、設(shè)計避障區(qū)間內(nèi)離散點自適應(yīng)調(diào)整的方法，以提高避障精度以及保留求解效率；

6、步驟3、設(shè)計針對復(fù)雜非凸動態(tài)障礙物規(guī)避約束的近似凸化方法，以提高凸優(yōu)化方法在航天任務(wù)應(yīng)用中的可行性和魯棒性。

7、有益效果：

8、（1）本發(fā)明提出的基于lqr與apf相結(jié)合的動態(tài)避障方法能夠在很短時間內(nèi)一次生成可行的軌跡，這有利于星上的自主軌跡規(guī)劃。

9、（2）本發(fā)明考慮了根據(jù)航天器實時獲取動態(tài)障礙物的信息來生成碰撞決策信息，同時滿足視線角約束和位置約束時才認為有碰撞風(fēng)險，并且設(shè)計的離散點自適應(yīng)調(diào)整策略充分利用了這一信息，能夠保證避障安全性以及求解快速性。

10、（3）本發(fā)明考慮到了序列凸優(yōu)化對初值敏感以及迭代不可行問題，通過引入飽和函數(shù)和懲罰機制來降低了對初值的敏感度以及提高了收斂速度，使得凸優(yōu)化對初值不敏感的優(yōu)勢得到保留。

技術(shù)特征：

1.一種航天器自適應(yīng)調(diào)節(jié)動態(tài)避障精度的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天器自適應(yīng)調(diào)節(jié)動態(tài)避障精度的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟1包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種航天器自適應(yīng)調(diào)節(jié)動態(tài)避障精度的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟2包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種航天器自適應(yīng)調(diào)節(jié)動態(tài)避障精度的軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述步驟3包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種航天器自適應(yīng)調(diào)節(jié)動態(tài)避障精度的軌跡規(guī)劃方法，包括：首先給出一種基于事件觸發(fā)的初始可行軌跡快速生成方法，以快速確定離散點加密區(qū)間以及為凸優(yōu)化提供良好的初值；然后設(shè)計一種避障區(qū)間自適應(yīng)調(diào)整步長的方法，以提高避障精度以及保留求解效率；最后給出一種針對復(fù)雜非凸動態(tài)障礙物規(guī)避約束的無損凸化方法，以提高凸優(yōu)化方法在航天任務(wù)應(yīng)用中的可行性和魯棒性。本發(fā)明考慮到了序列凸優(yōu)化對初值敏感以及迭代不可行問題，通過引入飽和函數(shù)和懲罰機制來降低了對初值的敏感度以及提高了收斂速度，使得凸優(yōu)化對初值不敏感的優(yōu)勢得到保留。

技術(shù)研發(fā)人員：師鵬,陳宇,郭思遠,馬力,溫昊偉,龔勝平
受保護的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9