深空探測(cè)器軟著陸制導(dǎo)與控制方法研究.pdf

1、深空探測(cè)任務(wù)中獲取科學(xué)數(shù)據(jù)的重要途徑是在目標(biāo)天體上著陸,然后利用著陸器所攜帶科學(xué)儀器采樣分析或采樣返回地球。近年來(lái)隨著科學(xué)研究的進(jìn)展,為了能夠?qū)哂懈呖茖W(xué)價(jià)值的特定區(qū)域進(jìn)行采樣探測(cè),需要探測(cè)器具有精確定點(diǎn)軟著陸的能力。本文針對(duì)深空探測(cè)器在精確定點(diǎn)軟著陸任務(wù)背景下的制導(dǎo)和控制方法進(jìn)行了研究,主要工作如下:
　　在分析月球及火星探測(cè)器軟著陸過(guò)程的基礎(chǔ)上,確定了精確定點(diǎn)軟著陸背景下導(dǎo)航及障礙檢測(cè)敏感器對(duì)著陸任務(wù)的要求,提出了軟著陸軌跡優(yōu)

2、化問(wèn)題的約束條件。分析了傳統(tǒng)的非定點(diǎn)軟著陸動(dòng)力學(xué)模型在精確定點(diǎn)軟著陸背景下存在的問(wèn)題,針對(duì)精確定點(diǎn)軟著陸問(wèn)題,在目標(biāo)天體固聯(lián)坐標(biāo)系及慣性坐標(biāo)系下,分別建立了深空探測(cè)器軟著陸的三維動(dòng)力學(xué)模型,并在慣性坐標(biāo)系下引入軌道交會(huì)思想,簡(jiǎn)化了固聯(lián)坐標(biāo)系下時(shí)變非線性動(dòng)力學(xué)模型。
　　在最優(yōu)控制理論基礎(chǔ)上,建立了深空探測(cè)器定點(diǎn)軟著陸軌跡優(yōu)化問(wèn)題的模型,根據(jù)龐德亞金極小值原理,給出了定點(diǎn)軟著陸最優(yōu)推力方向及推力開(kāi)關(guān)方程,并給出了最優(yōu)著陸過(guò)程不存在推

3、力中間值的奇異區(qū)間的證明。引入非線性規(guī)劃中凸優(yōu)化理論,通過(guò)一系列凸變換將著陸軌跡優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成凸優(yōu)化問(wèn)題,給出了著陸軌道優(yōu)化問(wèn)題全局最優(yōu)解存在的證明。建立了著陸軌跡優(yōu)化問(wèn)題的離散化模型,將連續(xù)系統(tǒng)最優(yōu)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限維參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題,采用非線性規(guī)劃中的內(nèi)點(diǎn)法得到了該參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)值解,并針對(duì)月球制動(dòng)段、接近段和火星動(dòng)力下降段場(chǎng)景進(jìn)行了仿真分析。
　　針對(duì)深空探測(cè)器軟著陸最優(yōu)標(biāo)稱軌跡跟蹤問(wèn)題,通過(guò)引入線性系統(tǒng)模型跟蹤控制理論,給出

4、了使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的模型參考跟蹤控制器的一般形式,采用一種基于特征結(jié)構(gòu)配置的反饋控制律設(shè)計(jì)方法,將反饋增益矩陣表示成由系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)和自由參數(shù)向量組成的參數(shù)矩陣,并引入閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)性能、Lyapunov穩(wěn)定原則作為反饋增益矩陣參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo),將反饋增益矩陣的設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題,并結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)模型,求解了反饋增益矩陣以及相應(yīng)的軌跡跟蹤控制器參數(shù),通過(guò)仿真驗(yàn)證了該軌跡跟蹤控制律的有效性。
　　建立了著陸過(guò)程姿態(tài)軌道全自由度動(dòng)力學(xué)模型

5、,根據(jù)Lyapunov意義下系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定的充分條件,針對(duì)誤差四元數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程,設(shè)計(jì)了著陸器姿態(tài)跟蹤控制律,并證明了其Lyapunov穩(wěn)定性。最后綜合著陸軌道優(yōu)化、標(biāo)稱軌道跟蹤控制器、姿態(tài)跟蹤控制器以及精確定點(diǎn)著陸六自由度模型,在Matlab-Simulink環(huán)境下建立了深空探測(cè)器軟著陸六自由度閉環(huán)仿真系統(tǒng),通過(guò)該系統(tǒng)分析了系統(tǒng)建模誤差、控制器控制精度以及姿態(tài)控制延時(shí)對(duì)著陸軌道控制的影響,驗(yàn)證了本文中所提出的深空探測(cè)器精確定點(diǎn)