火星着陆器轨迹跟踪控制方法研究

发布时间：2017-11-13 21:25

本文关键词：火星着陆器轨迹跟踪控制方法研究

【摘要】：火星着陆探测是人类深空探测的重要领域,大气进入段轨迹跟踪控制对火星着陆器的精准着陆至关重要。火星着陆器大气进入段轨迹跟踪控制具有大气密度不确定、气动参数不确定、初始大气进入点误差以及建模误差等特点,存在系统参数大范围剧烈变化,具有严重的不确定性、强耦合、强非线性等问题。因此,研究火星着陆器大气进入段轨迹跟踪控制问题具有重要的意义。本文以滑模控制技术和不确定估计方法为基础,构造了几种复合控制策略,有效解决了在各种不确定因素的影响下,大气进入段的精确轨迹跟踪控制问题,使得火星着陆器系统具有鲁棒性、精确性和快速性。针对火星着陆器在大气进入段飞行的特点,进行了以下研究:1.针对火星大气密度不确定情况,研究了火星着陆器大气进入段快速、高精度轨迹跟踪控制问题。分析归纳了火星着陆器大气进入段过程中的不确定性来源,建立了面向控制器设计的火星着陆器非线性模型。利用扩张状态观测器对火星着陆器总不确定项进行精确估计,然后利用滑模控制技术的快速响应,实现了火星着陆器高精度的轨迹跟踪控制。滑模控制技术的快速响应和观测器的精确估计能力相结合,有效解决了观测器的估计能力有限的问题,同时有效减少了滑模控制抖振的影响。2.在上述研究基础上,同时考虑火星大气密度不确定和气动参数不确定的影响,针对火星着陆器大气进入段轨迹跟踪控制问题进行了讨论。设计了基于高阶滑模控制方案,保证火星着陆器大气进入段轨迹跟踪系统的有限时间稳定。分析火星着陆器在不确定情况下轨迹跟踪控制问题的特点,结合自抗扰技术,采用扩张状态观测器对产生总扰动项进行估计,实现火星着陆器高性能轨迹跟踪控制。此方案无需大气密度不确定和气动参数不确定的确切上界,而且能有效的发挥高阶滑模高精度的特性,实现快速、高精度、有限时间稳定的控制性能。3.考虑初始进入点误差的影响,进一步综合火星大气密度不确定、气动参数不确定以及初始进入点误差等情况,研究了基于非奇异全阶终端滑模技术和扩张状态观测器估计方法的火星着陆器大气进入段有限时间轨迹跟踪控制问题。设计了基于非奇异全阶终端滑模控制方案,保证火星着陆器大气进入段轨迹跟踪系统有限时间稳定。分析火星大气密度不确定性、气动参数不确定、初始进入点误差等因素对火星着陆器轨迹跟踪系统的影响,利用扩张状态观测器对产生的总扰动项进行精确估计并实时在线补偿。结合非奇异全阶滑模的快速性和鲁棒性,从而实现了存在气动环境复杂情况下,火星着陆器大气进入段有限时间轨迹跟踪控制,精确到达预定的开伞点,为整个火星探测任务的完成提供支持。4.考虑建模误差的影响,在上述研究基础上,进一步考虑火星大气密度不确定、着陆器气动参数不确定、初始状态偏差及建模误差的影响,研究了基于非奇异全阶终端滑模技术和微分观测器的火星着陆器大气进入段鲁棒、高精度轨迹跟踪控制问题。分析了大气进入段大气密度不确定、着陆器气动参数不确定、初始状态误差及建模误差等主要干扰影响,设计了火星着陆器大气进入段轨迹跟踪控制方案,实现了火星着陆器在大气进入段的有限时间轨迹跟踪控制。火星大气环境复杂是造成着陆误差的主要原因,针对不同火星大气密度不确定情况,进行了详细的仿真验证。仿真结果显示本章所提出的控制算法与之前提出的控制算法相比,鲁棒性更强、精度更高。与传统的控制方法相比,在抗干扰能力方面更为突出。5.仿真实例验证了控制方案的合理性和有效性。仿真模型采用美国宇航局公布的好奇号火星着陆器模型参数进行仿真,仿真结果验证了控制方案的有效性。最后,归纳总结了本论文的主要研究成果,并对今后的工作进行了展望。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V476.4

【参考文献】

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1 包为民;;航天飞行器控制技术研究现状与发展趋势[J];自动化学报;2013年06期

2 陈宗基;张汝麟;张平;周锐;;飞行器控制面临的机遇与挑战[J];自动化学报;2013年06期

3 鲁媛媛;荣伟;吴世通;;“火星科学实验室”EDL方案及其新技术分析[J];航天器工程;2012年05期

4 朱仁璋;王鸿芳;泉浩芳;陈晓锦;赵刚;;美国火星表面探测使命述评(下)[J];航天器工程;2010年03期

5 朱仁璋;王鸿芳;泉浩芳;陈晓锦;赵刚;;美国火星表面探测使命述评(上)[J];航天器工程;2010年02期

6 陈萱;李云;;世界航天科技发展现状与趋势[J];中国航天;2009年11期

7 高滨;;火星探测器着陆技术[J];航天返回与遥感;2009年01期

8 林来兴;美国“轨道快车”计划中的自主空间交会对接技术[J];国际太空;2005年02期

9 张为华,李晓斌;飞行器多学科不确定性设计理论概述[J];宇航学报;2004年06期

10 Sarah SPURGEON;Finite time convergent control using terminal sliding mode[J];Journal of Control Theory and Applications;2004年01期