[發明專利]基于膨脹預警區的小天體著陸避障常推力控制方法

有效

• 申請號: 202010766827.9
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN111924139B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 朱圣英;楊賀;崔平遠;徐瑞;梁子璇
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

1.基于膨脹預警區的小天體著陸避障常推力控制方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：建立小天體的固連坐標系∑^b和著陸點固連坐標系∑^l，利用著陸器在小天體固連坐標系下的動力學方程和兩個坐標系之間的轉換關系推導出著陸點固連坐標系下的著陸器動力學方程；

步驟2：基于著陸障礙區域影響定義膨脹預警區，只在所述膨脹預警區內存在對著陸器飛行產生影響的斥力勢函數，以此對傳統人工勢函數進行改進；

所述膨脹預警區定義如下：定義一個最小的圓柱將障礙包圍，該最小圓柱所在區域定義為“危險區域”，在危險區域以外設定范圍內定義另一圓柱區域，該區域定義為“膨脹預警區”，在膨脹預警區之外的區域統稱為“安全區”；

步驟3：將步驟2所設計的改進人工勢函數梯度引入到線性滑模面中，同時對人工勢函數相應參數進行設計，以提高著陸器著陸時的魯棒性和避障能力；

步驟4：在步驟3所建立的滑模面的基礎上，設計適用于常推力發動機的滑模控制律，并引入死區進行控制律改進，以減少頻繁切換發動機的推力方向引起的抖振和燃料消耗；

還包括步驟5，應用基于膨脹預警區的小天體著陸避障常推力控制方法進行小行星著陸的控制，以減少頻繁切換發動機的推力方向引起的抖振和燃料消耗，實現著陸器在常推力作用下的在復雜區域內飛行時的障礙規避和精準著陸，并增加著陸器的工作壽命；

步驟1的具體實現方法為，

以小天體質心為原點O_b，小天體自旋軸為z_b軸，小天體最小慣性軸為x_b軸，通過右手法則定義y_b軸建立小天體的固連坐標系O_b-x_by_bz_b(∑^b)；以目標著陸點為原點O_l，O_l所在平面外法線方向為z_l軸，以位于z_lO_lz_b平面并垂直于z_l軸指向小天體南極方向為x_l軸，通過右手法則定義y_l軸建立小天體的著陸點固連坐標系O_l-x_ly_lz_l(∑^l)，著陸器在小天體固連坐標系下的動力學方程和兩個坐標系之間的轉換關系推導出著陸點固連坐標系下的著陸器動力學方程：

其中r_l和v_l分別為著陸器在∑^l系下的位置矢量和速度矢量；為從著陸點固連坐標系到小天體固連系的坐標轉換矩陣；ω＝[0,0,ω]^T為小天體自轉角速度矢量，小天體均勻旋轉，即在∑^b中的位置矢量；為著陸器受到的小天體引力加速度；r_b為著陸器在∑^b系下的位置矢量，d_l為干擾加速度，表示著陸器在運動過程中受到的小天體引力場偏差、太陽光壓、第三體攝動影響；a_cl為控制加速度；T_cl為著陸器自帶推力器產生的控制推力矢量，且有T_cli∈{-T,0,+T}(i＝1,2,3)，T為著陸器單軸所產生的推力大小；m為著陸器的質量，g₀為地球海平面處的標準引力加速度；I_sp為推力器比沖；

定義由于小天體引力場和自轉效應對著陸器著陸動力學產生的影響加速度為：

將公式(2)代入公式(1)得簡化后的著陸器動力學方程：

著陸器在小天體表面的著陸過程中，受到小天體引力場和自轉效應影響的值相對于控制加速度a_cl很小且有界，受到的干擾加速度d_l未知卻有界，得其中γ_i(i＝1,2,3)為小的正常數。