[發(fā)明專利]一種行星精確著陸抗擾制導(dǎo)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710544571.5
• 申請(qǐng)日: 2017-07-06
• 公開（公告）號(hào): CN107202584B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔平遠(yuǎn);葛丹桐;劉陽;高艾;于正湜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/24
• 分類號(hào): G01C21/24;G01C21/20
• 代理公司: 11639 北京理工正陽知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 唐華

1.一種行星精確著陸抗擾制導(dǎo)方法，其特征在于：包括如下步驟，

步驟一、在線生成行星精確著陸制導(dǎo)律和最優(yōu)軌跡；

將行星著陸動(dòng)力學(xué)方程離散成線性控制系統(tǒng)，考慮探測器在著陸過程中受到的工程約束，并將燃耗與著陸誤差設(shè)為優(yōu)化性能指標(biāo)，根據(jù)非線性模型預(yù)測控制方法形成并求解滾動(dòng)時(shí)域上的最優(yōu)軌跡優(yōu)化問題，在線生成行星精確著陸制導(dǎo)律和最優(yōu)軌跡；

步驟二、估計(jì)與補(bǔ)償外界擾動(dòng)，降低外界擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，提高著陸任務(wù)的安全性；

根據(jù)步驟一得到的行星精確著陸在線制導(dǎo)律，考慮下降過程中的外界擾動(dòng)，引入擴(kuò)張狀態(tài)觀測器，通過對(duì)所述的外界擾動(dòng)的實(shí)時(shí)估計(jì)，調(diào)整控制量大小，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)補(bǔ)償與抑制，提高著陸任務(wù)的安全性；

步驟一的具體實(shí)現(xiàn)方法為，

將行星著陸動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行離散

其中，r(t)為探測器位置，v(t)為探測器速度，u(t)為控制量，g為行星引力加速度，Δt為時(shí)間間隔；令系統(tǒng)狀態(tài)x(t)＝[r(t)^T,v(t)^T]^T，離散后的模型轉(zhuǎn)化為

x(t+1)＝A_dx(t)+B_du(t)+C_dg (2)

其中，

探測器在下降過程中受到的工程約束包括：

初始時(shí)刻t₀及末端時(shí)刻t_f狀態(tài)約束

控制量u和速度v幅值約束

u_min≤||u||≤u_max (4)

||v||≤v_max (5)

保證著陸點(diǎn)始終可見的視線角θ約束

其中探測器位置r＝[x,y,z]^T，相機(jī)視線方向單位矢量最大視線角為θ_max；避免下降過程中與地表突起發(fā)生碰撞的滑翔角φ約束

其中著陸點(diǎn)固連坐標(biāo)系豎直方向單位矢量e₃＝[0,0,1]^T，最大滑翔角為φ_max；將燃耗與著陸誤差設(shè)為優(yōu)化性能指標(biāo)，從而行星精確著陸問題轉(zhuǎn)化成為滾動(dòng)時(shí)域上的離散優(yōu)化問題

s.t.

x(t+1)＝A_dx(t)+B_du(t)+C_dg (2)

u_min≤||u||≤u_max (4)

||v||≤v_max (5)

其中，N為滾動(dòng)時(shí)域長度，P,Q,R分別為末端狀態(tài)、中間狀態(tài)及控制向量的權(quán)重矩陣，k為第k個(gè)滾動(dòng)時(shí)域；

通過求解有限時(shí)間內(nèi)的約束優(yōu)化問題，保留得到的最優(yōu)控制序列中第一步的值作為當(dāng)前時(shí)間段的控制量，用動(dòng)力學(xué)遞推公式(2)計(jì)算下一時(shí)刻的狀態(tài)x(t+1)并作為下一步的初始狀態(tài)再次進(jìn)行離散優(yōu)化問題求解，如此循環(huán)，直到探測器到達(dá)末端狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)在線生成行星精確著陸制導(dǎo)律和最優(yōu)軌跡；

步驟二具體實(shí)現(xiàn)方法為，

考慮下降過程中外界擾動(dòng)對(duì)探測器的影響，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型(2)進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化；令x₁＝r,x₂＝v，帶外界擾動(dòng)的系統(tǒng)表示為

其中f(t)為外界擾動(dòng)；為了更好的估計(jì)實(shí)際外界擾動(dòng)f(t)大小，將其記為系統(tǒng)的擴(kuò)張狀態(tài)變量

其中w(t)為外界擾動(dòng)變化率；擴(kuò)張的狀態(tài)為x(t)＝[x₁(t)^T,x₂(t)^T,x₃(t)^T]^T，擴(kuò)張后的系統(tǒng)表示為

系統(tǒng)矩陣A_E和輸出矩陣C_E分別為

系統(tǒng)的能觀性矩陣滿秩，即

故系統(tǒng)能觀，構(gòu)造的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器為

其中，e為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器輸出z₁與實(shí)際系統(tǒng)輸出y的差值，z₁,z₂,z₃分別為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的三個(gè)狀態(tài)分量，β₀₁,β₀₂,β₀₃為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器參數(shù)，系統(tǒng)中控制變量u由步驟一生成；為了避免實(shí)際數(shù)值仿真中出現(xiàn)震顫現(xiàn)象，采用以下連續(xù)冪函數(shù)替代式(13)中的fe與fe₁

其中α,δ為連續(xù)冪函數(shù)參數(shù)；選擇合適的β₀₁,β₀₂,β₀₃，即能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有狀態(tài)變量的準(zhǔn)確估計(jì)

因此，系統(tǒng)狀態(tài)與所受到的擾動(dòng)大小都能夠通過系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入輸出信息來進(jìn)行估計(jì)；得到擾動(dòng)估計(jì)量后，通過在步驟一中求解最優(yōu)問題得到的最優(yōu)控制量u(t)中加入估計(jì)值z(mì)₃(t)以實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)的實(shí)時(shí)補(bǔ)償與抑制，降低外界擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，提高著陸任務(wù)的安全性，抗擾制導(dǎo)律為

u_m(t)＝u(t)-z₃(t) (16)。