基于最少燃耗的飞行器着陆避障控制策略

发布时间：2020-09-01 16:31

　　 针对登月飞行器着陆粗避障和精避障阶段的策略控制问题,本文基于软着陆动力学思想,通过计算机仿真及模拟退火算法求解了避障段的最优燃料消耗控制策略.以嫦娥三号登月为算例,粗避障时,首先将距月面2400 m数字高程图划分为100 m×100 m的子区域块,并将标准化后的最高海拔、最低海拔、最小坡度角作为指标,评价各子区域着陆安全度,进而利用柯西隶属函数对各安全度定量评价,绘出安全度灰度图;然后将考虑燃料消耗作为优化的目标函数建立非线性规划模型,采用模拟退火算法寻找最佳的落月位置,并仿真绘出该阶段的下落轨迹,求得嫦娥三号粗避障用时25.7 s,耗油63.86 kg.在粗避障操作基础上,通过各发动机的脉冲组合调整使嫦娥三号水平飞行至最佳落月地点上方,可实现精避障段的最优控制策略.
【部分图文】：

T为第n次退火后的温度.并用选定的终止温度30E10=以判断退火过程是否结束,即当T<E时,算法结束并输出当前最优100m×100m着陆安全子区域和嫦娥三号在粗避障段所消耗的最少燃料f.1.2模型求解与结论(ⅰ)综合评价地面安全程度.基于距月球2400m处的数字高程图,可按照模型对任一100m×100m子区域Ω进行评价.为初步得到评价结果,首先将数字高值图初步分为23×23的子区域方阵,根据D的定义表达式,计算得到每一个子区域的安全程度,并通过灰度图像进行直观展示.距月球2400m观测所得地形的等高线图和安全程度灰度图如图1和2所示.图1为嫦娥三号在距月球表面2400m所拍摄的地形图对应的等高线图.图2中,白色方框所围部分表示着陆安全度D大于等于0.62的子区域,其中D的计算表达式采用中优化后的结果,即将三个指标权重分别调整至0.73,0.93和0.65.(ⅱ)模拟退火寻求最佳着陆位置.由于将数字高值图初步分为23×23的子区域方阵并不精确,应考虑数字高值图中所有可能的100m×100m子区域,则满足着陆安全度D大于等于0.62的子区域数目将更为庞大.为在众多安全着陆子区域求得最佳选择,以使得燃料消耗最优,采用模拟退火法进一步求解着陆位置.为观察模拟退火算法对寻找最佳着陆子区域的可行性,在求解初始时刻嫦娥三号在2300m×2300m图1粗避障阶段地形等高线图Figure1Contourofthecoarseobstacleavoidance图2粗避障阶段安全程度灰度图Figure2Safetygreyscaleimageofthecoarseobstacleavoidance

窠崾?即当T<E时,算法结束并输出当前最优100m×100m着陆安全子区域和嫦娥三号在粗避障段所消耗的最少燃料f.1.2模型求解与结论(ⅰ)综合评价地面安全程度.基于距月球2400m处的数字高程图,可按照模型对任一100m×100m子区域Ω进行评价.为初步得到评价结果,首先将数字高值图初步分为23×23的子区域方阵,根据D的定义表达式,计算得到每一个子区域的安全程度,并通过灰度图像进行直观展示.距月球2400m观测所得地形的等高线图和安全程度灰度图如图1和2所示.图1为嫦娥三号在距月球表面2400m所拍摄的地形图对应的等高线图.图2中,白色方框所围部分表示着陆安全度D大于等于0.62的子区域,其中D的计算表达式采用中优化后的结果,即将三个指标权重分别调整至0.73,0.93和0.65.(ⅱ)模拟退火寻求最佳着陆位置.由于将数字高值图初步分为23×23的子区域方阵并不精确,应考虑数字高值图中所有可能的100m×100m子区域,则满足着陆安全度D大于等于0.62的子区域数目将更为庞大.为在众多安全着陆子区域求得最佳选择,以使得燃料消耗最优,采用模拟退火法进一步求解着陆位置.为观察模拟退火算法对寻找最佳着陆子区域的可行性,在求解初始时刻嫦娥三号在2300m×2300m图1粗避障阶段地形等高线图Figure1Contourofthecoarseobstacleavoidance图2粗避障阶段安全程度灰度图Figure2Safetygreyscaleimageofthecoarseobstacleavoidance

1491论文区域的中心位置后,考虑初始位置在其他点时的退火结果.相关结果如表1所示,其中“着陆子区域坐标”表示100m×100m着陆子区域中心的坐标位置.得到不同初始位置所对应的100m×100m着陆子区域位置和耗油量后,通过计算及仿真的方法直观描绘出嫦娥三号在粗避障段下降轨迹,如图3所示.图3中水平分辨率为1m/像素,高度数值单位为1m,圆圈表示嫦娥三号的末位置,方框表示其中间过程位置,白色叉号表示嫦娥三号在精避障后的垂直投影位置.当嫦娥三号以57m/s的速度进入粗避障段且初始位置为(1100,1100,2493)时,其最佳100m×100m着陆子区域的中心坐标位置为(1101,1101,193),其中坐标单位为m.通过对加速下落时间1t、匀速下落时间2t和加速下落时间3t求和,可得到粗避障段总耗时25.7s.由表1可知,最优消耗燃料63.86kg.2精避障段的最优控制策略为使嫦娥三号降至月球表面时可以精确地避开较小的陨石坑,并合理调动各姿态调整发动机以减少能源消耗,需要探求飞嫦娥三号在精避障段的最优控制策略.求解嫦娥三号在精避障段的控制策略表1模拟退火算法结果Table1Resultsofthesimulatedannealing初始位置坐标(m)模拟退火次数着陆区域坐标(m)区域安全程度耗油量(kg)(1100,1100,2493)69044(1101,1101,193)0.6963.86(1,1500,2500)67305(236,2106,192)0.6377.60(1500,500,2495)69765(1603,500,205)0.6381.91图3粗避障段下落仿真图(单位m)Figure3Landingsimulationofthecoarseobstacleavoidance(Unit:m)方式与“粗避障段的最优控制策略”求解相似.基于距月球100m处的数字高程图,嫦娥三号需要在月球表面精确寻求安全着陆子区域,考虑到嫦娥三号的大小参数和着陆后月球车的行驶空间大小,将嫦娥三号精确寻得的安全着陆?

【相似文献】

相关期刊论文 前5条

1 张丽华;李春艳;曹冬雨;范生宏;范钦红;;月球车双目视觉避障像机标定[J];光电工程;2012年03期

2 张洪华;梁俊;黄翔宇;赵宇;王立;关轶峰;程铭;李骥;王鹏基;于洁;袁利;;嫦娥三号自主避障软着陆控制技术[J];中国科学:技术科学;2014年06期

3 赵海;陈星池;王家亮;曾若凡;;基于四轴飞行器的单目视觉避障算法[J];光学精密工程;2014年08期

4 ;加拿大为直升机避障做好准备[J];电光与控制;2001年02期

5 ;[J];;年期

相关硕士学位论文 前5条

1 高永霞;室内飞艇自动避障技术研究[D];沈阳航空航天大学;2011年

2 闫锦龙;带自动避障系统的智能四轴飞行器的设计[D];安徽大学;2014年

3 殷林飞;多飞行器编队三维避障算法研究[D];南昌航空大学;2015年

4 徐华东;无人机电力巡线智能避障方法研究[D];南京航空航天大学;2014年

5 Syed Ghafoor Shah;基于立体视觉和三维激光扫描仪的无人机自主避障和导航技术研究[D];南京航空航天大学;2012年

本文编号：2809979