月球探測器自主導航與控制方法研究.pdf

1、自主導航與控制是月球探測器的關鍵技術之一。本文結合月球探測工程二三期預研項目“月球軟著陸綜合仿真演示驗證技術”，對月球探測器的自主導航與控制方法進行了較深入的研究。論文的主要研究內容包括：
　　針對奔月軌道段任務，給出了基于地月信息的自主光學導航方法。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航系統(tǒng)的觀測方程，并利用基于UD分解的遞推加權最小二乘算法估計了奔月探測器的軌道參數。針對繞月軌道段任務，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。數學仿真結果表明，提出的導航方法是可行的，能夠滿足月球探測器奔月與繞月軌道段導航精度的要求。
　　針對著陸軌道段任務，給出了一種基于特征點跟蹤的自主導航方法。首先利用特征點的圖像坐標和探測器到三個特征點的距離信息構建了著陸點坐

3、標系，確定了探測器相對著陸點坐標系的位置和姿態(tài)。接著給出了基于擴展卡爾曼濾波的自主導航算法，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，解決了導航過程中特征點可能逸出相機視場的問題。最后通過數學仿真驗證了提出方法的有效性。
　　針對動力下降段任務，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系，給出了制導控制量－推力方向角

4、的顯式表達式，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)化問題轉化為一個非線性規(guī)劃問題，并利用SQP方法進行了求解，從而得到了基于二次序列規(guī)劃的月球軟著陸制導律。
　　針對垂直下降段任務，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模型的基礎上，考慮所建立的T-S模型與原

5、系統(tǒng)的誤差，設計了月球軟著陸的重力轉彎模糊跟蹤控制器。并針對系統(tǒng)所受的外加干擾及參數不確定性，將模型跟蹤設計方法與干擾解耦和魯棒控制問題結合起來，設計了一種模型跟蹤的魯棒控制器。
　　為了實現安全軟著陸月球，分別給出了基于光學相機與激光掃描雷達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的障礙規(guī)避方法?；诠鈱W相機的自主障礙檢測算法采用多灰度級閾值分割技術完成目標的分類，并基于 C-均值聚類進行障礙目標識別?；诩す?/p>