深空探测器软着陆制导与控制方法研究

发布时间：2017-05-16 01:08

  本文关键词：深空探测器软着陆制导与控制方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：深空探测任务中获取科学数据的重要途径是在目标天体上着陆，然后利用着陆器所携带科学仪器采样分析或采样返回地球。近年来随着科学研究的进展，为了能够对具有高科学价值的特定区域进行采样探测，需要探测器具有精确定点软着陆的能力。本文针对深空探测器在精确定点软着陆任务背景下的制导和控制方法进行了研究，主要工作如下： 在分析月球及火星探测器软着陆过程的基础上，确定了精确定点软着陆背景下导航及障碍检测敏感器对着陆任务的要求，提出了软着陆轨迹优化问题的约束条件。分析了传统的非定点软着陆动力学模型在精确定点软着陆背景下存在的问题，针对精确定点软着陆问题，在目标天体固联坐标系及惯性坐标系下，分别建立了深空探测器软着陆的三维动力学模型，并在惯性坐标系下引入轨道交会思想，简化了固联坐标系下时变非线性动力学模型。 在最优控制理论基础上，建立了深空探测器定点软着陆轨迹优化问题的模型，根据庞德亚金极小值原理，给出了定点软着陆最优推力方向及推力开关方程，并给出了最优着陆过程不存在推力中间值的奇异区间的证明。引入非线性规划中凸优化理论，通过一系列凸变换将着陆轨迹优化问题转化成凸优化问题，给出了着陆轨道优化问题全局最优解存在的证明。建立了着陆轨迹优化问题的离散化模型，将连续系统最优控制问题转化为有限维参数优化问题，采用非线性规划中的内点法得到了该参数优化问题的数值解，并针对月球制动段、接近段和火星动力下降段场景进行了仿真分析。 针对深空探测器软着陆最优标称轨迹跟踪问题，通过引入线性系统模型跟踪控制理论，给出了使闭环系统稳定的模型参考跟踪控制器的一般形式，采用一种基于特征结构配置的反馈控制律设计方法，将反馈增益矩阵表示成由系统闭环极点和自由参数向量组成的参数矩阵，并引入闭环系统响应性能、Lyapunov稳定原则作为反馈增益矩阵参数设计指标，将反馈增益矩阵的设计问题转化为参数优化问题，并结合实际系统模型，求解了反馈增益矩阵以及相应的轨迹跟踪控制器参数，通过仿真验证了该轨迹跟踪控制律的有效性。 建立了着陆过程姿态轨道全自由度动力学模型，根据Lyapunov意义下系统渐进稳定的充分条件，针对误差四元数运动学和姿态动力学方程，设计了着陆器姿态跟踪控制律，并证明了其Lyapunov稳定性。最后综合着陆轨道优化、标称轨道跟踪控制器、姿态跟踪控制器以及精确定点着陆六自由度模型，在Matlab-Simulink环境下建立了深空探测器软着陆六自由度闭环仿真系统，通过该系统分析了系统建模误差、控制器控制精度以及姿态控制延时对着陆轨道控制的影响，，验证了本文中所提出的深空探测器精确定点软着陆动力学模型的合理性以及相应的轨道优化算法、制导控制方法的有效性。
【关键词】：定点软着陆 软着陆轨道优化 轨迹跟踪 姿态跟踪
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状及分析11-16
• 1.2.1 深空探测器软着陆问题综述11-13
• 1.2.2 软着陆制导方法研究现状13-15
• 1.2.3 考虑约束的着陆轨迹优化问题研究现状15
• 1.2.4 软着陆控制方法研究现状15-16
• 1.3 论文主要内容及章节安排16-18
• 第2章 深空探测器软着陆建模18-28
• 2.1 深空探测器软着陆过程分析18-20
• 2.1.1 月球探测器软着陆过程18-19
• 2.1.2 火星探测器软着陆过程19-20
• 2.2 动力下降段着陆轨道约束20-21
• 2.3 深空探测器精确定点软着陆动力学建模21-26
• 2.3.1 行星固联坐标系下三维定点软着陆问题建模23-25
• 2.3.2 惯性系下三维定点软着陆问题建模25-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第3章 深空探测器精确定点软着陆轨道优化28-50
• 3.1 引言28
• 3.2 最优控制理论基础28-31
• 3.2.1 庞德亚金极小值原理28-29
• 3.2.2 凸优化理论基础29-31
• 3.3 定点软着陆轨迹优化问题建模31-41
• 3.3.1 奇异过程分析33-35
• 3.3.2 基于凸变换的全局最优解分析35-38
• 3.3.3 着陆轨迹优化参数化建模38-41
• 3.4 轨迹优化仿真分析41-49
• 3.4.1 月球软着陆制动段仿真分析41-45
• 3.4.2 月球软着陆接近段仿真分析45-47
• 3.4.3 火星探测器动力下降段仿真分析47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 精确定点软着陆轨迹跟踪控制50-58
• 4.1 引言50
• 4.2 模型参考跟踪控制50-52
• 4.3 基于特征结构配置的反馈控制律设计52-53
• 4.4 标称轨迹跟踪仿真分析53-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第5章 软着陆制导控制系统闭环仿真58-74
• 5.1 引言58
• 5.2 定点软着陆 6DOF 动力学模型58-61
• 5.3 姿态跟踪控制器设计61-67
• 5.3.1 Lyapunov 稳定理论61-62
• 5.3.2 Lyapunov 稳定姿态跟踪控制律62-64
• 5.3.3 姿态跟踪仿真分析64-67
• 5.4 软着陆制导控制系统 6DOF 闭环仿真67-73
• 5.5 本章小结73-74
• 结论74-76
• 参考文献76-80
• 攻读学位期间发表的论文及其它成果80-82
• 致谢82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王鹏基;张q

本文编号：369267