申请/专利权人：北京理工大学

申请日：2022-07-11

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN115230991B

主分类号：B64G1/10

分类号：B64G1/10;G06F30/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2022.11.11#实质审查的生效;2022.10.25#公开

摘要：本发明公开的一种柔性探测器多约束附着的可控锥生成方法，属于深空探测技术领域。本发明实现方法为：通过对柔性探测器附着动力学与约束建模，将附着可控锥边界求解问题建模为多约束附着轨迹极限初始位置优化问题；通过优化求解固定高度各水平方向的极限初始位置，得到固定高度水平可控位置边界；通过设定高度序列并求解各高度对应的水平可控位置边界，依高度顺序连接各水平边界生成三维空间的柔性探测器附着可控锥。从可控锥中的任意位置出发，柔性探测器能够在考虑柔性指向误差的容许控制下，到达小天体表面预定的着陆点，且附着过程中约束始终得到满足。本发明能够支撑附着可行初始位置选取，使柔性探测器能够在小天体表面预定着陆点附着。

主权项：1.柔性探测器多约束附着可控锥生成方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一、在着陆点坐标系下，建立柔性探测器附着动力学模型，以及附着过程中柔性探测器所受敏感器视场约束和推力幅值及方向约束模型；结合柔性探测器特性，建立考虑柔性形变的视场角和推力方向约束模型，并设计加速-减速两段式附着的推力控制策略，利用所述推力控制策略得到质心控制力方向的二阶锥约束；步骤一的具体实现方法为，定义着陆点坐标系oL-xLyLzL，以预定着陆点oL为原点，小天体质心与着陆点连线方向为zL轴，小天体表面东向为xL轴，表面北向为yL轴；为保证柔性探测器附着平稳性，附着过程中，柔性探测器的标称姿态水平，即平行于着陆点系的xLoLyL平面；敏感器光轴和推力器法向轴的标称指向均垂直探测器平面，即平行于着陆点系的oLzL轴；着陆点系下，柔性探测器的附着动力学模型为 其中，r＝[x,y,z]T为探测器质心位置，v＝[vx,vy,vz]T为探测器质心速度，m为探测器质量，ag＝[agx,agy,agz]T为探测器所受小天体引力，aω＝[aωx,aωy,aωz]T为探测器因小天体自旋而受的惯性力，u＝[ux,uy,uz]T为探测器所受控制力，Isp为探测器推力器比冲，g0为地球表面引力加速度；柔性探测器的敏感器安装在柔性探测器腹部，敏感器的视场角约束为 其中，rs为敏感器在着陆点系下的位置，es为敏感器光轴指向的单位向量，向上为正方向，θsight为敏感器的视场角；由于柔性探测器尺寸远小于其附着距离，忽略柔性探测器质心与敏感器的位置差，即rs＝r；柔性探测器的推力器安装在柔性探测器的腹部和背部，推力器推力方向能够在其法向轴附近预定范围内调整；探测器背部的推力器主要提供向下的推力，其推力方向约束为udown·edown≥||udown||cosθmax3其中，udown为背部推力器的推力，edown为背部推力器法向轴指向的单位向量，向下为正方向，θmax为推力器推力方向与其法向轴的最大夹角；探测器腹部的推力器主要提供向上的推力，其推力方向约束为uup·eup≥||uup||cosθmax4其中，uup为腹部推力器的推力，eup为腹部推力器法向轴指向的单位向量，向上为正方向；对于背部和腹部的推力器，有推力幅值约束 其中，umax为单个推力器的推力幅值上限；无柔性形变的标称状态下，es、eup和edown平行于着陆点系oLzL轴，柔性变形导致敏感器和推力器的指向偏离其标称状态的角度不超过δmax；考虑柔性变形的影响，视场角约束为 由柔性探测器的推力器配置及推力方向约束，推力器推力在垂直探测器平面方向上有较大分量，为避免正负法向推力对消造成燃耗浪费，规定柔性探测器背部和腹部的推力器不同时开机；柔性探测器背部推力器开机时，探测器质心控制力向下，方向约束为 柔性探测器腹部推力器开机时，探测器质心控制力向上，方向约束为 设计柔性探测器加速-减速两段式附着策略：加速段，背部推力器开机，柔性探测器从悬停位置出发加速下降；减速段，腹部推力器开机，探测器下降速度逐渐减小，在着陆点处实现末端速度为零的软着陆；由此，质心控制力方向约束为如公式9所示的二阶锥约束 其中，t为时间，t0为附着初始时刻，t1为加速段与减速段的分界时刻，tf为附着终端时刻；步骤二、将柔性探测器附着可控锥边界求解问题，建模为多约束下柔性探测器附着轨迹极限初始位置优化问题；选取固定高度上不同水平方向的初始位置为优化指标，基于优化方法求解不同方向的最大水平初始距离，得到该高度上的可控位置边界；步骤二的具体实现方法为，柔性附着可控锥为柔性附着轨迹可行初始位置的包络，可控锥边界求解问题建模为柔性附着轨迹极限初始位置优化问题；在固定高度z＝z0上，与oLxL轴夹角为的水平方向的极限初始位置优化问题建模为： 其中，J0为固定高度水平极限初始位置的优化目标函数，m0为探测器初始质量；求解所建模的优化问题，得到该高度水平方向上的极限初始位置；遍历得到不同方向的极限初始位置，连接各极限初始位置得到该高度上的可控位置边界；步骤三、选取着陆点正上方的最大初始高度为优化指标，求解最大可行初始高度；根据所求最大初始高度和保证柔性探测器安全附着的最小初始高度，设定高度序列；步骤四、基于步骤二所述固定高度可控位置边界求解方法，求解步骤三所设高度序列各高度上对应的可控位置边界，依高度序列连接不同高度对应的可控位置边界，得到多约束下小天体柔性探测器附着的三维可控锥；从可控锥内任意点出发，柔性探测器能够在考虑柔性指向误差的容许控制下，到达小天体表面预定的着陆点，且附着过程中敏感器观测视场约束始终得到满足。

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