一種燃料最省的火星復雜地形區(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雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法，屬于行星著陸【技術領域】。本發(fā)明方法首先建立火星動力下降動力學模型，然后根據目標著陸地形建立了導航函數，通過導航函數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，并安全著陸到目標著陸點。本發(fā)明將求解的避障控制力引入到火星動力下降動力學方程中，控制力有一部分用于實現障礙規(guī)避，再對改造的動力學方程進行著陸軌跡優(yōu)化，則能夠實現障礙規(guī)避的同時節(jié)省動力下降軌跡的燃料消耗。本發(fā)明給出的火星復雜地形區(qū)的著陸軌跡優(yōu)化方法既能考慮到目標著陸區(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障礙進行規(guī)避和燃料消耗多的缺點。
【專利說明】一種燃料最省的火星復雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種燃料最省的火星復雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法，屬于行星著 陸【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 隨著人類社會經濟的不斷發(fā)展和科學技術的不斷進步，火星探測成為目前深空探 測的熱點之一，這其中又尤其以火星著陸探測任務最具有科學意義與挑戰(zhàn)性。由于火星復 雜地形區(qū)域具有更高的科學探測價值，因而，為了取得突破性科學成果，未來著陸器需要具 備在復雜地形區(qū)域著陸的能力。為了減少動力下降過程的燃料消耗，降低任務成本，非常有 必要研究燃料最優(yōu)的著陸軌跡。
[0003] 目前，在火星動力下降過程中，分別針對燃料最優(yōu)和復雜地形區(qū)的障礙規(guī)避進行 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)軌跡對計 算機的計算能力要求較高，短期內仍難以在工程上實施。離線生成最優(yōu)軌跡并存儲在星載 計算機能夠避免上述問題，在工程上有較多應用。目前，最優(yōu)軌跡均是在假設滑翔角度約束 的基礎上生成，該角度約束是根據著陸區(qū)障礙大小定義的，在著陸區(qū)存在較大障礙以及地 形復雜等情況下，會極大的降低著陸軌跡的解空間，甚至產生無解的情況。另外，目前對障 礙規(guī)避方法也進行了相關研究，但是并沒有考慮在障礙規(guī)避過程中的燃料消耗問題。
[0004] 研究火星復雜地形區(qū)著陸軌跡優(yōu)化方法有望降低動力下降過程的燃料消耗并避 免與障礙發(fā)生碰撞，是降低任務風險和成本的有效方法，有望實現未來對復雜地形區(qū)進行 著陸探測。
[0005] 已發(fā)展的動力下降最優(yōu)軌跡，在先技術[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 陸器動力下降階段的最小燃料問題，推導了最小燃料著陸軌跡的必要條件，給出了最小燃 料的數值解，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 法能夠有效對著陸的最優(yōu)軌跡進行求解并分析，然而，復雜地形區(qū)的障礙會對著陸器產生 非常大的威脅，能夠大大增加復雜地形區(qū)著陸任務的風險。
[0006] 已發(fā)展的障礙規(guī)避方法中，在先技術[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實驗室與約翰遜空間中心聯合開發(fā)了一套著陸器著陸過程中的障礙規(guī)避控制算法。該 算法根據事先選擇的著陸點，利用導航系統(tǒng)給出的著陸器當前位置與速度信息采用多項式 形式規(guī)劃規(guī)避軌跡。該算法在保留了算法簡單、計算時間少等特點。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，間接增大任務的成本。
[0007] 已有的火星動力下降最優(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)軌跡和進行障礙規(guī)避，但對于復雜地形區(qū)著陸任務，燃料最省和避障能力需要同時 具備，否則就容易引起發(fā)生碰撞危險或者增加任務成本。
【發(fā)明內容】
[0008] 本發(fā)明的目的是為解決火星復雜地形區(qū)安全著陸問題，提出一種燃料最省的火星 復雜地形區(qū)安全著陸軌跡生成方法，應用于火星復雜地形區(qū)著陸，能夠實現障礙規(guī)避的同 時節(jié)省動力下降軌跡的燃料消耗。
[0009] 本發(fā)明方法根據目標著陸地形建立了導航函數，通過導航函數求解的避障控制力 能夠有效避免著陸器與障礙發(fā)生碰撞，并安全著陸到目標著陸點。本發(fā)明將求解的避障控 制力引入到火星動力下降動力學方程中，控制力有一部分用于實現障礙規(guī)避。然后再對改 造的動力學方程進行著陸軌跡優(yōu)化，則能夠實現障礙規(guī)避的同時節(jié)省動力下降軌跡的燃料 消耗。
[0010] 本發(fā)明方法具體通過如下步驟實現：
[0011] 步驟一，建立火星動力下降動力學模型。
[0012] 為了描述著陸器的運動，首先建立著陸點固連坐標系o-ij)/；，其中原點為預定的 著陸點，i和，軸在水平面，{軸堅直向上。x、y、h為著陸器位置，vx，vy和vh分別為三軸方 向的速度，m為著陸器的質量，為關于時間的函數，隨時間變化。將著陸器視為質點，對時間 求導，建立動力下降動力學模型為：
【權利要求】
1. 一種燃料最省的火星復雜地形區(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，建立火星動力下降動力學模型； 為了描述著陸器的運動，首先建立著陸點固連坐標系其中原點為預定的著陸 點，;^和3>軸在水平面J軸堅直向上；X、y、h為著陸器位置，vx，Vy和Vh分別為三軸方向的速 度，m為著陸器的質量，為關于時間的函數，隨時間變化；將著陸器視為質點，對時間求導， 建立動力下降動力學模型為：
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)動機的數量，Isp為推力 發(fā)動機的脈沖，T為推力發(fā)動機的最大推力，為推力發(fā)動機與合力方向的夾角，U= [Ux Uy Uh]為三軸方向的控制向量；通過調節(jié)控制向量能夠控制著陸器的運動軌跡；由于推力發(fā)動 機打開后，則在整個著陸過程持續(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)動機處于 關閉狀態(tài)，U= 1表示推力發(fā)動機以最大推力運行； 步驟二，建立導航函數； 根據已獲得的火星地形數據，通過最小二乘擬合等方式獲得目標著陸區(qū)的障礙信息， 構建如下形式的導航函數：
其中，
為著陸器的平面位置向量，qd為目標著陸點的位置向量，P(q)為障 礙函數，定義為如下形式：
其中，M為障礙的數量，％為第j個障礙的位置，P^為第j個障礙的大小； 利用導航函數的梯度信息生成避障力F能夠阻止著陸器接近障礙：
其中，Fx，Fy，Fz分別為在三個軸方向產生的障礙規(guī)避力，K為增益系數，用于調節(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利用導航函數生成的避障力F引入步驟1的動力學模型中，則推力發(fā)動 機的推力被分為避障力F和控制力兩部分，形成的改造后動力學方程如下：
則合力的控制向量為unrt =u+uF ;在實際著陸任務中，利用導航函數生成 的避障力實際上也是由推力發(fā)動機產生，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改造的動力學方程進行優(yōu)化，優(yōu)化初始值為著陸器開始著陸時刻 的初始狀態(tài)，目標為著陸器目標著陸狀態(tài)，優(yōu)化性能指標為燃料消耗最小，優(yōu)化結果即為燃 料最省的著陸軌跡。
2.根據權利要求1所述的一種燃料最省的火星復雜地形區(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為開始著陸時亥lj，tf為著陸任務完成的時 刻。
【文檔編號】G05D1/10GK104267734SQ201410376959
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權日:2014年8月1日
【發(fā)明者】崔平遠, 胡海靜, 朱圣英, 高艾, 徐瑞 申請人:北京理工大學