[发明专利]复杂小天体表面着陆避障常推力控制方法

说明书

本发明涉及一种复杂小天体表面着陆避障常推力控制方法，属于深空探测技术领域。本发明建立着陆点固连坐标系下的着陆器动力学方程；采用线性滑模面和改进人工势函数相结合的方法，设计滑模面和引力势函数系数；对地形障碍附近空间进行“危险区”，“膨胀预警区”，“安全区”分区，通过对各个障碍进行合并包围，对着陆障碍进行简化，提出新型斥力势函数，验证在着陆器、目标点和障碍物危险圆柱在水平方向上对齐且障碍物危险圆柱在两者中间的情况下，可有效逃离局部极小值点处；设计并改进常推力控制律；应用复杂小天体表面着陆避障常推力控制方法进行小行星着陆的控制，能够有效避免势函数制导法导致着陆器陷入局部极小值区域的问题。

技术领域

本发明涉及一种复杂小天体表面着陆避障常推力控制方法，适用于以常推力为推进方式的小天体着陆器，属于深空探测技术领域。

背景技术

着陆是小天体探测任务中至关重要的一步，是获取小天体表面有效的科学数据信息的有效保障，也是执行小天体表面样品采集及返回任务的必要前提条件。随着空间科学技术和航天技术的不断发展，小天体探测任务将寻求着在具有更高的科学价值或更多的特殊资源的复杂区域进行着陆，而这些区域往往环境复杂，地形崎岖，山脊、低谷、凹坑和丘陵广泛分布，威胁着陆器的精准安全的着陆任务，致使小天体表面的着陆任务难度增大。因此能够保障着陆器在复杂地形环境中安全着陆的自主避障控制方法是小天体着陆段探测技术的重要研究方向。目前势函数制导法是常用的着陆器的自主避障方法，然而小天体复杂的地形环境会导致势函数制导法产生局部极小值问题，导致着陆器陷入局部极小值区域，无法到达目标着陆点。

在已发展的势函数着陆避障控制方法中，在先技术[1](Yuan,X.,et al.,Probability-based hazard avoidance guidance for planetary landing.ActaAstronautica,2018.144:p.12-22.)，从障碍威胁概率性描述的角度，提出一种基于碰撞概率的着陆避障控制方法，通过计算不确定条件下着陆器与星表障碍的实时碰撞概率，对障碍威胁进行概率性描述，并基于实时碰撞概率推导解析的障碍规避控制律，提高不确定条件下的实时障碍规避能力，并对不确定性条件的实时变化具有适应性，提高了避障控制的鲁棒性与自主着陆安全性。但是该算法未考虑产生的局部极小值问题，在复杂地形下会导致着陆器陷入局部极小值区域，无法到达目标着陆点。

在先技术[2](参见朱圣英等.基于膨胀预警区的小天体着陆避障常推力控制方法:中国,ZL 202010766827.9[P],2020-08-03)，基于着陆障碍区域影响定义膨胀预警区，对传统人工势函数进行改进；将设计的改进人工势函数梯度引入到线性滑模面中，并对人工势函数相应参数进行设计，同时设计适用于常推力发动机的滑模控制律，并引入死区进行控制律改进，实现着陆器在常推力作用下的在复杂区域内飞行时的障碍规避和精准着陆，并增加着陆器的工作寿命。但是该算法同样未未考虑会产生的局部极小值问题，在复杂地形下会导致着陆器陷入局部极小值区域，无法到达目标着陆点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的势函数制导法会导致着陆器陷入局部极小值区域，无法到达目标着陆点的问题。本发明的方法对地形障碍附近空间进行“危险区”，“膨胀预警区”，“安全区”分区，通过对各个障碍进行合并包围，将复杂障碍地形分割为若干个相互不影响的障碍区域，对复杂障碍地形进行简化，避免多个障碍产生的斥力势函数在某一区域过度叠加产生局部极小值问题。同时定义新型斥力势函数，验证在着陆器、目标点和障碍物危险圆柱在水平方向上对齐且障碍物危险圆柱在两者中间的情况下，着陆器可有效逃离局部极小值点，并最终到达目标着陆点处，最终证明本发明可以有效避免势函数制导法导致着陆器陷入局部极小值区域的问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。