[发明专利]一种基于动态优化的月球着陆器反推进最优控制器

说明书

本发明公开了一种基于动态优化的月球着陆器反推进最优控制器，由月球着陆器高度测量传感器、月球着陆器速度测量传感器、球着陆器微控制单元(MCU)与反推进发动机控制器构成。在MCU中输入反推进发动机参数，月球着陆器到达指定着陆空域后，开启月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器和MCU，测量当前月球着陆器的着陆高度和当前下降速度，MCU根据设定高度和速度参数自动执行内部动态优化算法，既能使月球着陆器安全软着陆又能使着陆器消耗燃料最少，MCU将获得的最优控制策略转换为控制指令发送给反推进发动机控制器。本发明能够根据月球着陆器的不同高度和速度状态快速地获取最优反推进发动机控制策略，保证月球着陆器的安全着陆。

技术领域

本发明涉及月球着陆器反推进控制领域，主要是一种基于动态优化的月球着陆器反推进发动机控制器。在月球着陆器到达指定着陆空域后能够给出月球着陆器反推进发动机控制指令，使月球着陆器安全软着陆的同时月球着陆器反推进发动机消耗的燃料也最少，以保证月球勘探任务下一步的顺利执行。

背景技术

美国、欧空局、俄罗斯、日本、印度等国家和地区先后宣布了新的月球探测计划，掀起了继“阿波罗”计划后新一轮探月热潮，与初期的月球探测相比，技术要求也就更高。

我国于2004年启动了“探月工程”，根据开展月球探测工程的基本原则，月球探测工程将分为“绕”、“落”、“回”三个阶段实施。在目前实施的阶段中，月球着陆器的软着陆是一项关键技术，也是进行月球勘探的重要前提。然而，由于月球表面没有大气，月球着陆器的减速必须完全由反推进发动机实现，这一过程需要消耗大量燃料，研究表明在动力下降过程中月球着陆器将消耗探月球测器总燃料的80％左右，为了使探测器安全到达月球表面，就需要对下降过程中的制导与控制技术有一定的要求。

因此，在考虑燃耗最少和安全着陆的情况下，如何设计一种先进的控制方案在保证月球着陆器安全软着陆的同时使着陆器反推进发动机消耗的燃料也最少非常关键。

发明内容

为了得到使月球着陆器安全软着陆的同时着陆器反推进发动机消耗的燃料也最少的月球着陆器控制方案，本发明提供一种基于动态优化的月球着陆器反推进发动机控制器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于动态优化的月球着陆器反推进最优控制器，根据月球着陆器的不同高度和速度状态快速获取最优反推进发动机控制策略，保证月球着陆器的安全着陆同时反推进发动机燃料消耗也最少。由月球着陆器高度测量传感器、月球着陆器速度测量传感器、球着陆器微控制单元(MCU)与反推进发动机控制器构成，各组成部分均由月球着陆器内数据总线连接。所述最优控制器的运行过程包括：

步骤1)：在月球着陆器MCU中输入对应于该月球着陆器的反推进发动机参数；

步骤2)：到达指定着陆空域后，月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器测和MCU开启，测量当前月球着陆器的着陆高度和下降速度；

步骤3)：月球着陆器MCU根据设定高度和速度参数自动执行内部动态优化算法，得到既能使月球着陆器安全软着陆同时又能使着陆器反推进发动机消耗的燃料最少的最优控制策略；

步骤4)：月球着陆器MCU将获得的最优控制策略转换为控制指令发送给反推进发动机控制器。

所述的月球着陆器MCU部分，包括信息采集模块、初始化模块、常微分方程组(Ordinary differential equations，简称ODE)求解模块、梯度求解模块、非线性规划(Non-linear Programming，简称NLP)问题求解模块、控制指令输出模块。其中，信息采集模块包括测量当前月球着陆器着陆高度采集、月球着陆器下降速度采集、月球着陆器到达高度设定采集、月球着陆器到达速度采集、月球着陆器反推进发动机性能参数采集五个子模块；NLP求解模块包括寻优方向计算、寻优步长计算、寻优修正、NLP收敛性判断四个子模块。

上述的月球着陆器反推进着陆过程最优控制问题可以描述为