[發明專利]考慮彈跳的小天體表面定點附著軌跡規劃方法

有效

• 申請號: 202011099994.9
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112269390B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 梁子璇;呂暢;崔平遠;朱圣英;徐瑞
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05B13/04
• 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: 張利萍

本發明公開的考慮彈跳的小天體表面定點附著軌跡規劃方法，屬于深空探測技術領域。本發明實現方法為：使用深度確定性策略梯度算法，根據探測器初始狀態的可行空間訓練智能體，進而對探測器的碰撞前的姿態信息進行規劃；為了降低訓練難度，將定點附著任務分為接近段和制動段兩個階段分別訓練智能體；根據探測器當前的狀態，使用訓練好的智能體給出探測器每次碰撞前的姿態信息，并使用滑模控制方法求解控制力矩，使得探測器碰撞前的姿態調整到期望值，從而使探測器實現期望的彈跳軌跡，完成探測器到小天體表面目標點的精確附著。本發明通過對探測器與小天體表面碰撞前的姿態序列進行規劃，解決小天體表面精確附著的彈跳軌跡規劃問題。

技術領域

本發明涉及一種軌跡規劃方法，尤其涉及小天體表面定點附著的彈跳軌跡規劃方法，屬于深空探測技術領域。

背景技術

隨著航天技術的發展，小天體探測成為航天領域的熱點。為了獲得小天體的精確數據，開發利用小天體資源，需要進行表面附著探測。在探測器著陸末段，若預測到存在位置偏差，則需調整運動軌跡來精確到達目標位置。在小天體弱引力的物理環境下，著陸軌跡易發生反彈，但利用反彈也可以實現小天體表面的彈跳移動。若能利用彈跳軌跡修正末段位置偏差，則將大幅提升小天體附著精度和探測任務的靈活性。如何針對不確定初始條件規劃弱引力下的彈跳軌跡，則是實現精確附著的關鍵。

在已發展的小天體表面跳躍式探測器移動軌跡規劃中，先技術(參見郭林杰.基于深度強化學習的跳躍式小行星探測器規劃策略研究[D].2019.)使用強化學習算法，規劃碰撞時探測器的姿態和角速度，使探測器通過連續跳躍的方式進行遠距離轉移。但該技術存在不足，一方面，探測器在目標點處存在水平速度，無法實現附著到目標點的要求；另一方面，所規劃的軌跡缺少內環控制，沒有在內環使用控制力矩對規劃好的姿態和角速度進行跟蹤。為了完成探測器精確附著到目標位置的任務，需要將終端速度約束與內環控制考慮在內，設計一種小天體表面定點附著的彈跳軌跡規劃方法。

發明內容

針對弱引力小天體表面的附著軌跡規劃問題，本發明公開的考慮彈跳的小天體表面定點附著軌跡規劃方法要解決的問題是：考慮探測器彈跳運動，通過對探測器與小天體表面碰撞前的姿態序列進行規劃，實現探測器到小天體表面目標點的精確附著。

本發明是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的考慮彈跳的小天體表面定點附著軌跡規劃方法，使用深度確定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient，DDPG)算法，根據探測器初始狀態的可行空間訓練智能體(Agent)，進而對探測器的碰撞前的姿態信息進行規劃；為了降低訓練難度，將定點附著任務分為接近段和制動段兩個階段分別訓練智能體：在接近段，探測器由初始位置向目標點運動，到達目標點附近同時將水平速度降低到一定范圍；在制動段，探測器在目標點附近以彈跳方式進行制動，在消除剩余水平速度的同時將探測器的位置控制在一定范圍內；根據探測器當前的狀態，使用訓練好的智能體給出探測器每次碰撞前的姿態信息，并使用滑模控制方法求解控制力矩，使得探測器碰撞前的姿態調整到期望值，從而使探測器實現期望的彈跳軌跡。

本發明公開的考慮彈跳的小天體表面定點附著軌跡規劃方法，包括如下步驟：

步驟一、將探測器彈跳至目標位置的過程分為接近段和制動段兩個階段，針對每一階段探測器碰撞前的姿態和角速度，采用深度確定性策略梯度算法，選取狀態空間與動作空間，搭建探測器彈跳運動神經網絡模型。

步驟一的具體實現方法為：

探測器的動力學方程如下：

其中，m為探測器質量，g為小天體重力加速度，(x,y)為探測器位置，I為探測器轉動慣量，2l為探測器邊長，α為探測器的姿態角，ω為探測器的角速度，F_t為地面對探測器水平方向向作用力，F_n為地面對探測器豎直方向作用力，T_c為探測器控制力矩。