[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

本發明公開的基于膨脹預警區的小天體著陸避障常推力控制方法，屬于深空探測技術領域。本發明實現方法為：建立著陸點固連坐標系下的著陸器動力學方程；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，以此改進傳統人工勢函數；將改進人工勢函數梯度引入到線性滑模面中，對人工勢函數相應參數進行設計，設計適用于常推力發動機的滑模控制律，引入死區進行控制律改進；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。

技術領域

本發明涉及一種基于膨脹預警區的小天體著陸避障常推力控制方法，適用于以常推力為 推進方式的小天體著陸器，屬于深空探測技術領域。

背景技術

著陸是小天體探測任務中至關重要的一步，是獲取小天體表面有效的科學數據信息的有 效保障，也是執行小天體表面樣品采集及返回任務的必要前提條件。隨著空間科學技術和航 天技術的不斷發展，小天體探測任務將尋求著在具有更高的科學價值或更多的特殊資源的復 雜區域進行著陸，而這些區域往往環境復雜，地形崎嶇，存在著較多的巖石、斜坡、彈坑等 地形障礙，威脅著陸器的精準安全的著陸任務，致使小天體表面的著陸任務難度增大。因此 能夠保障著陸器在復雜地形環境中安全著陸的自主避障控制方法是小天體著陸段探測技術的 重要研究方向。目前關于著陸器的自主避障控制方法的研究多是基于變推力發動機，在實際 的著陸器飛行任務中實現困難。

在已發展的避障控制方法中，在先技術[1](Yuan,X.,et al.,Probability-basedhazard avoidance guidance for planetary landing.Acta Astronautica,2018.144:p.12-22.)，從障礙威脅概 率性描述的角度，提出一種基于碰撞概率的著陸避障控制方法，通過計算不確定條件下著陸 器與星表障礙的實時碰撞概率，對障礙威脅進行概率性描述，并基于實時碰撞概率推導解析 的障礙規避控制律，提高不確定條件下的實時障礙規避能力，并對不確定性條件的實時變化 具有適應性，提高了避障控制的魯棒性與自主著陸安全性。但是該算法未考慮速度約束，易 發生逃逸現象，同時該控制方法為變推力控制律，工程上較難實現。

在先技術[2](Hu,Q.,et al.,Tracking control of spacecraft formationflying with collision avoidance.Aerospace Science and Technology,2015.42:p.353-364.)，提出了一種新穎的特殊人 工勢函數和一種時變滑模面，同時提出了將基于該勢函數的人工勢函數制導與滑模技術相結 合的非線性自適應反饋控制律，保證了著陸器的避障要求，同時具有較高的計算效率。但是 該方法同樣需要使用變推力發動機，在工程上難以實現。

發明內容

針對目前關于著陸器的自主避障控制方法的研究多是基于變推力發動機的問題，傳統人 工函數中的斥力勢函數對航天器飛行整個區域存在影響，與實際情況有較大出入，本發明公 開的基于膨脹預警區的小天體著陸避障常推力控制方法要解決的技術問題為：(1)基于著陸 障礙區域影響定義膨脹預警區，即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，利用改進勢函數梯度進行著陸避障控制。(2)針 對常推力發動機，設計常推力滑模控制律，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，實現著陸器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。

本發明是通過下述技術方案實現的。