月球探測器自主導(dǎo)航與控制方法研究.pdf

1、自主導(dǎo)航與控制是月球探測器的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文結(jié)合月球探測工程二三期預(yù)研項目“月球軟著陸綜合仿真演示驗證技術(shù)”，對月球探測器的自主導(dǎo)航與控制方法進(jìn)行了較深入的研究。論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　針對奔月軌道段任務(wù)，給出了基于地月信息的自主光學(xué)導(dǎo)航方法。在奔選取地心和月心像素作為觀測量，建立了符合實際情況的量測噪聲模型和自主導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測方程，并利用基于UD分解的遞推加權(quán)最小二乘算法估計了奔月探測器的軌道參數(shù)。針對繞月軌道段任務(wù)，提

2、出了基于高斯-馬爾科夫過程和Unscented卡爾曼濾波的自主軌道確定方法。利用高斯-馬爾科夫過程近似繞月探測器的無模型加速度，并利用基于 Unscented卡爾曼濾波估計了探測器的位置、速度及無模型加速度。數(shù)學(xué)仿真結(jié)果表明，提出的導(dǎo)航方法是可行的，能夠滿足月球探測器奔月與繞月軌道段導(dǎo)航精度的要求。
　　針對著陸軌道段任務(wù)，給出了一種基于特征點跟蹤的自主導(dǎo)航方法。首先利用特征點的圖像坐標(biāo)和探測器到三個特征點的距離信息構(gòu)建了著陸點坐

3、標(biāo)系，確定了探測器相對著陸點坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。接著給出了基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的自主導(dǎo)航算法，有效地估計了探測器的狀態(tài)，抑制了測量噪聲，并通過特征點跟蹤與繼承，解決了導(dǎo)航過程中特征點可能逸出相機(jī)視場的問題。最后通過數(shù)學(xué)仿真驗證了提出方法的有效性。
　　針對動力下降段任務(wù)，給出了基于多項式規(guī)劃和二次序列規(guī)劃的月球軟著陸制導(dǎo)方法。首先利用三次多項式規(guī)劃垂直方向上的最優(yōu)著陸軌跡，并基于加速度矢量之間的幾何關(guān)系，給出了制導(dǎo)控制量－推力方向角

4、的顯式表達(dá)式，從而得到了基于多項式規(guī)劃的月球軟著陸閉環(huán)制導(dǎo)律，避免了求解兩點邊值問題的困難。接著通過將常推力軟著陸軌跡離散化，利用離散點處狀態(tài)連續(xù)作為約束條件，把常推力的軟著陸軌跡優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一個非線性規(guī)劃問題，并利用SQP方法進(jìn)行了求解，從而得到了基于二次序列規(guī)劃的月球軟著陸制導(dǎo)律。
　　針對垂直下降段任務(wù)，提出了一種基于 T-S模型的月球軟著陸模糊控制方法。在建立一類非線性系統(tǒng)的T-S模型的基礎(chǔ)上，考慮所建立的T-S模型與原

5、系統(tǒng)的誤差，設(shè)計了月球軟著陸的重力轉(zhuǎn)彎模糊跟蹤控制器。并針對系統(tǒng)所受的外加干擾及參數(shù)不確定性，將模型跟蹤設(shè)計方法與干擾解耦和魯棒控制問題結(jié)合起來，設(shè)計了一種模型跟蹤的魯棒控制器。
　　為了實現(xiàn)安全軟著陸月球，分別給出了基于光學(xué)相機(jī)與激光掃描雷達(dá)的月球軟著陸器障礙檢測算法，并提出了一種基于李亞普諾夫函數(shù)的障礙規(guī)避方法?；诠鈱W(xué)相機(jī)的自主障礙檢測算法采用多灰度級閾值分割技術(shù)完成目標(biāo)的分類，并基于 C-均值聚類進(jìn)行障礙目標(biāo)識別。基于激光