一種基于干擾觀測器的著陸器動力下降段優(yōu)化控制方法
【專利摘要】一種基于干擾觀測器的著陸器動力下降段優(yōu)化控制方法，針對著陸器在動力下降段含有干擾的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，設(shè)計一種抗干擾優(yōu)化控制方法；首先，建立帶有干擾的著陸器動力下降段系統(tǒng)狀態(tài)空間模型；其次，基于含有干擾的狀態(tài)空間模型，設(shè)計干擾觀測器；然后，基于系統(tǒng)標稱模型，設(shè)計著陸器燃料最優(yōu)控制器；最后，基于干擾觀測器與最優(yōu)控制器，設(shè)計復(fù)合控制方法；本方法具有抗干擾性強、工作可靠性高、著陸器燃料消耗可得到優(yōu)化等優(yōu)點，適用于航天領(lǐng)域行星著陸器在動力下降段精確優(yōu)化控制中。
【專利說明】—種基于干擾觀測器的著陸器動力下降段優(yōu)化控制方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于干擾觀測器的著陸器動力下降段優(yōu)化控制方法，主要應(yīng)用于行星著陸器在動力下降段以燃料最優(yōu)的方式精確抗干擾著陸。
【背景技術(shù)】
[0002]作為距離地球最近的行星之一，火星與地球有很多相似之處，成為人類深空探測的首選目標星體。近幾十年來，行星探測活動尤其是著陸探測活動越來越頻繁。隨著科學(xué)技術(shù)的進步與工程經(jīng)驗的積累，火星探測器在火星表面的著陸精度在過去的四十余年中不斷提高，從“海盜號”的200km到“探路者號”的150km再到“火星漫游者號”的35km，直到最近“好奇號”的IOkm著陸范圍。在這些火星任務(wù)中，著陸器只需安全地著陸在目標點附近即可。然而，在下一代火星任務(wù)中如采樣返回和人類探測則需要著陸器在火星表面感興趣的特定地點精確軟著陸，定義為著陸在目標點IOOm范圍內(nèi)。
[0003]火星著陸器在著陸過程中要經(jīng)歷火星大氣進入段、傘降段和末端的動力下降段。由于在降落傘下降階段，火星著陸器會隨風(fēng)自由漂移不受控制，因此在動力下降段，著陸器有可能不得不從制動點飛行數(shù)千米到達目標著陸地點。在這個過程中，火星著陸器不可避免的會受到火星風(fēng)等外部干擾。由于火星著陸器受到有效載荷的嚴格限制，不能通過傳感器測量到所有干擾，因此，需要設(shè)計干擾觀測器來估計干擾的影響。
[0004]在動力下降段，火 星著陸器不但有可能需要從制動點飛行數(shù)千米到達目標著陸地點，也有可能為了規(guī)避著陸點障礙重新規(guī)劃路徑從而增加航程，然而火星著陸器攜帶的可用燃料是有限的，因此，必須對著陸器的燃料消耗進行優(yōu)化控制，以增大著陸器的可達區(qū)域。現(xiàn)有的控制方法主要為“阿波羅”多項式控制方法，這種控制方法沒有考慮著陸器燃料的最優(yōu)消耗，也沒有考慮到著陸器在動力下降過程中遇到的各種干擾。為了解決這些問題，需要設(shè)計一種行星著陸器在動力下降段的抗干擾優(yōu)化控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:針對行星著陸器在動力下降階段受到的干擾，提供一種干擾觀測器估計干擾并進行燃料優(yōu)化的控制方法，解決了行星著陸器在動力下降過程中因受到干擾導(dǎo)致著陸精度降低的問題，提高行星著陸器的著陸精度，同時實現(xiàn)了燃料的優(yōu)化控制。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種基于干擾觀測器的著陸器動力下降段優(yōu)化控制方法，其實現(xiàn)步驟如下:
[0007]第一步，建立帶有干擾的著陸器動力下降段系統(tǒng)狀態(tài)空間模型為:
[0008]著陸器在動力下降段的燃料消耗率為:
[0009]m(t) = ^kT(I)
[0010]其中，m(t)為著陸器的質(zhì)量，t為時間變量；k = l/ve, ve = geIsp, ge為地球表面重力加速度，Isp為制動發(fā)動機的比沖；T(t)為制動發(fā)動機的推力；[0011]定義著陸器在動力下降段的特征速度為c(t)，有:
[0012]C(t) = gamma (?)
[0013]其中，初始條件為CUtl) = O, h為著陸器開始制動的時刻，gamma (t) = T(t)/m(t),gamma (t)為比推力的大??；gamma (t)有最大與最小邊界，為:
[0014]
【權(quán)利要求】
1.一種基于干擾觀測器的著陸器動力下降段優(yōu)化控制方法，其特征在于包括以下步驟: (1)建立帶有干擾的著陸器動力下降段系統(tǒng)狀態(tài)空間模型； (2)基于第一步的帶有干擾的狀態(tài)空間模型，設(shè)計干擾觀測器； (3)基于系統(tǒng)標稱模型，設(shè)計燃料最優(yōu)控制器； (4)基于第二步和第三步，設(shè)計復(fù)合控制方法。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的一種基于干擾觀測器的著陸器動力下降段優(yōu)化控制方法，其特征在于:所述步驟(1)的帶有干擾的著陸器動力下降段系統(tǒng)狀態(tài)空間模型為: 著陸器在動力下降段的燃料消耗率為:


m(t) = ^kT(I) 其中，m(t)為著陸器的質(zhì)量,t為時間變量；k = l/ve, ve = gJm, ge為地球表面重力加速度，Isp為制動發(fā)動機的比沖；T(t)為制動發(fā)動機的推力； 定義著陸器在動力下降段的特征速度為C(t)，有:
c(t)=m 其中，初始條件為C(tQ) = O，tQ為著陸器開始制動的時刻，gamma (t) = T(t)/m(t), gamma (t)為比推力的大??；gamma (t)有最大與最小邊界，為: O≤rmin(t)≤ gamma ⑴≤ rmax(t) 其中，rmin(t) = Tfflin/m(t), rmax(t) = Tmax/m(t)，Tmin 為制動發(fā)動機的最小推力，Tmax 為制動發(fā)動機的最大推力，這個時變的邊界取決于著陸器質(zhì)量的變化；給定了 C(t)，則著陸器相對應(yīng)的質(zhì)量為:
m(t) = m (t0) exp [_kC (t)] 其中，Hiatl)為著陸器在動力下降段開始制動時的質(zhì)量； 設(shè)定著陸器的位置和速度變量建立在笛卡爾坐標系中，計劃著陸點位于坐標系原點，假設(shè)這個坐標系是慣性的，則帶有干擾的著陸器動力下降段系統(tǒng)狀態(tài)空間模型為:

3.根據(jù)權(quán)利I所述的一種基于干擾觀測器的著陸器動力下降段優(yōu)化控制方法，其特征在于:所述步驟(2)的設(shè)計干擾觀測器為:
4.根據(jù)權(quán)利I所述的一種基于干擾觀測器的著陸器動力下降段優(yōu)化控制方法，其特征在于:所述步驟(3)的設(shè)計燃料最優(yōu)控制器為: 著陸器動力下降段系統(tǒng)狀態(tài)空間標稱模型為:
5.根據(jù)權(quán)利I所述的一種基于干擾觀測器的著陸器動力下降段優(yōu)化控制方法，其特征在于:所述步驟(4)的設(shè)計復(fù)合控制方法為:
【文檔編號】G05B13/04GK103926835SQ201410136042
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】郭雷, 張亞彬, 孫海濱, 喬建忠, 閆曉鵬 申請人:北京航空航天大學(xué)