[發明專利]航天器避障軌跡快速規劃方法、裝置和計算機設備

有效

• 申請號: 202010069901.1
• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111310312B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 蔡偉偉;張潤德;楊樂平;黃渙;朱彥偉
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/15
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本申請涉及一種航天器避障軌跡快速規劃方法、裝置和計算機設備。所述方法包括：獲取服務航天器與目標航天器間的相對運動模型，獲取障礙物的非線性碰撞避免約束模型，根據障礙物在服務航天器軌跡起點和軌跡終點連線上的投影位置，確定旋轉時間窗口的中心位置，根據障礙物的最大尺寸以及預先設置的調節參數，確定旋轉時間窗口的長度，根據非線性碰撞避免約束模型以及障礙物在旋轉時間窗口內的旋轉超平面，得到避障約束，根據避障約束以及相對運動模型，進行航天器避障軌跡快速規劃。采用本方法能夠使得超平面約束轉動與航天器的運動相匹配，不需要先驗信息。

技術領域

本申請涉及航天器軌跡規劃技術領域，特別是涉及一種航天器避障軌跡快速規劃方法、裝置和計算機設備。

背景技術

服務航天器通過近距離接近目標航天器，并對其實施在軌服務操作是有效延長其壽命提升其任務性能的重要手段。空間碎片的日益增多使得服務航天器在近距離接近過程中發生碰撞的風險越來越大，需要進行避障軌跡規劃。

現有航天器避障軌跡規劃方法主要包括兩類。一類是基于解析的方法，其中最常用的是人工勢函數法(Artificial potential function,APF)，其基本思想是在狀態空間構建目標引力場和障礙物斥力場，引導航天器在機動過程中實現碰撞避免。該方法最早由Khatib在研究地面機器人避障軌跡規劃時提出的，McInnes將其引入到空間領，因其計算效率高，穩定性易判定等優點，現已廣泛應用于航天器自主交會、在軌裝配、編隊飛行等任務場景。但在多障礙物場景中，狀態空間中的某些點在多個場作用下可能合力為零，可能使得航天器陷入局部極小值點。

另一類避障方法是將碰撞避免作為約束條件引入到軌跡規劃中，并通過優化理論進行求解。但非線性的避障約束會增加系統的計算負擔，且計算結果對初值敏感。為解決這些問題，Park等在模型預測控制框架下率先提出了平面內的旋轉超平面方法(RotatingHyperplane)，用一組轉動的線性約束代替原先的非線性橢球約束，將非線性的軌跡規劃問題轉化為二次規劃問題，Weiss等將其擴展到三維空間。隨后，Park等又提出了雙超平面的方法，即用兩個與原障礙物橢球相切的線性超平面約束代替橢球約束，以進一步提高求解效率，并通過數值仿真和氣浮臺試驗驗證了仿真結；Zagaris將其擴展到了三維空間，并與旋轉超平面方法和直接線性化方法進行了性能對比。

以服務航天器近距離接近過程中需避開兩個障礙物為例，其機動軌跡的實際可行域為兩個障礙物之外的全部空間。若采用現有旋轉超平面方法，每個障礙物的可行域將是由垂直于服務航天器與障礙物連線的超平面所形成的半空間，兩個障礙物相應半空間的交集即為現有旋轉超平面方法的可行域。然而，兩個半空間的交集遠小于實際可行域，甚至出現交集為空的情形，即服務航天器機動軌跡可行域為零，導致避障軌跡規劃失敗。造成這一問題的本質原因是超平面的轉動與服務航天器的運動失配。

發明內容

基于此，有必要針對上述技術問題，提供一種能夠解決超平面的轉動與服務航天器運動失配問題的航天器避障軌跡快速規劃方法、裝置和計算機設備。

一種航天器避障軌跡快速規劃方法，所述方法包括：

獲取服務航天器與目標航天器間的相對運動模型；

獲取障礙物的非線性碰撞避免約束模型；

根據障礙物在服務航天器軌跡起點和軌跡終點連線上的投影位置，確定旋轉時間窗口的中心位置；

根據障礙物的最大尺寸以及預先設置的調節參數，確定所述旋轉時間窗口的長度；

根據所述非線性碰撞避免約束模型以及障礙物在所述時間窗口內的旋轉超平面，得到避障約束；

根據所述避障約束以及所述相對運動模型，進行航天器避障軌跡快速規劃。