[發明專利]一種軟著陸避障模擬試驗系統

有效

• 申請號: 201410127206.0
• 申請日: 2014-03-31
• 公開（公告）號: CN103901907A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 王鵬基;張曉文;賈永;徐忠賓;牟小剛;關軼峰;趙宇;張洪華;張新邦;何英姿;王大軼
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G05D17/02
• 分類號: G05D17/02;G05D1/10
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

技術領域

本發明涉及一種半物理仿真試驗系統，特別是一種用于月面障礙識別與避障控制方案地面驗證的、建設于試驗室內的模擬試驗系統，可應用于月球及深空天體軟著陸制導、導航與控制（GNC）方案的地面試驗驗證。

背景技術

二十世紀六七十年代，美國的Apollo和Surveyor以及蘇聯的Luna先后多次實現了月球軟著陸探測任務。設計一套可靠有效的月球軟著陸制導、導航與控制方案，并使其在地面上得以充分有效驗證是月球軟著陸成功與否的關鍵。隨著計算機和數學仿真技術的進一步發展，目前基于常規敏感器的地球衛星GNC算法大都可以通過數學仿真得以有效驗證。而對于以月球或其他天體為中心引力體的軟著陸探測任務來說，其重力場與周圍環境以及導航手段等都與地球衛星有顯著差異，而且月球和其他天體表面地形復雜未知，對飛行器的著陸安全性將帶來未知風險。因此，需要考慮通過半實物或者全實物仿真系統來對GNC方案加以驗證。最早的Apollo載人登月是通過宇航員目測來規避障礙，實現安全軟著陸的。對于當前的無人月球軟著陸和其他天體軟著陸來說，則可以利用高精度的成像敏感器獲得天體表面地形信息，從而實現自主安全軟著陸。

Bellman和Matranga為Apollo計劃設計了一種稱為LLRV（Lunar?Landing?Research?Vehicle）的全實物仿真驗證系統。該系統通過一個噴氣發動機提供5/6的自身重力以模擬月球重力環境，由其他推力發動機充當軟著陸制動發動機，用來驗證幾百米以下最終著陸過程的GNC方案。但由于該系統主要任務是為宇航員提供一個地面手動操作訓練的平臺，因而其包括重量和推力系統在內的很多部件都與Apollo登月艙不同；并且，該試驗系統也無法用于自主實現月球軟著陸GNC方案的驗證。

日本的月球軟著陸計劃——“月神”（SELenological?and?Engineering?Explorer，SELENE）同樣采用了一個全實物的飛行驗證平臺（Fly?Test?Bed，FTB）來對GNC算法和敏感器設備的功能性能進行驗證。該試驗系統借鑒了Apollo的LLRV方案，通過一個噴氣發動機模擬月球重力環境，其驗證范圍也是距離月面幾百米以下的最終著陸過程。該試驗系統驗證了包括測距、測速以及IMU等導航敏感器，但卻無法驗證懸停過程的三維成像敏感器及平移避障控制策略。

國內在月球軟著陸制導、導航與控制方案地面驗證方面，公開號為CN101122780A，名稱為《月球軟著陸制導、導航與控制半物理仿真試驗系統》的專利公開了一種試驗系統，通過一個安裝在橫向導軌上的沙盤屏的三維平動以及固定在地面上的三軸機械轉臺的三軸轉動來模擬探測器相對月面的六自由度運動。由于場地限制，該系統縱向最大可移動距離為10m左右，通過1：10縮比的方式實現懸停、避障和緩速下降過程GNC方案和算法的地面半物理驗證。該系統是國內第一套用于月球軟著陸GNC方案驗證的試驗系統，但由于其受條件限制，尚存在如下不足之處：（1）模擬月面地形的沙盤采用縮比方式建造，而由于著陸導航敏感器的測量特性并非完全線性，因此不能全面測試著陸導航敏感器相對測量和成像的真實工作性能；（2）三維平動運動的位置和速度也需要縮比，因而無法為成像敏感器提供真實的動態工作環境；（3）沒有真實模擬各敏感器（包括常規敏感器和著陸導航敏感器）與控制計算機之間的接口，因此各接口之間的傳輸時序和延遲對控制方案的影響無法驗證；（4）模擬探測器六自由度運動的設備由固定在地面上的三軸轉臺和置于導軌上的沙盤屏分別完成，試驗效果不夠直觀。因此，該試驗系統難以實現軟著陸懸停、避障和緩速下降過程1：1的真實月面成像、障礙識別和六自由度避障控制方案的全面有效的地面模擬驗證。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種可進行1：1動態模擬的、用于月球及深空天體軟著陸GNC方案和敏感器性能驗證的半物理仿真試驗系統。

本發明的技術解決方案是：一種軟著陸避障模擬試驗系統，包括六自由度運動模擬裝置、高仿真月面模擬沙盤屏、GNC模擬計算機、敏感器與執行機構模擬接口箱、動力學仿真計算機、地面試驗總控計算機，其中：