CN114019788A - 一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法 - Google Patents

一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法 Download PDF

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Abstract

一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，通过对着陆过程控制区位置进行分区，并分别对各控制区进行定义并确定控制方法，实现同时兼顾快速机动和快速稳定的性能的目的，在位置误差较大时，可以实现位置误差的快速减小，在位置误差较小时，可以实现位置的高精度稳定控制，从而可以获得快速机动和快速稳定的综合优点。

Description

一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法
技术领域
本发明涉及一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，属于深空探测行星表面着陆项目中动力下降段中平移避障的控制领域。
背景技术
深空探测是当今和未来航天领域的前沿之一，也是21世纪人类对宇宙探索的热点和焦点。对于大行星的着陆，在最后阶段一般存在叫做动力下降段的阶段。在此阶段，探测器的主发动机会实施点火，利用主发动机推力对探测器相对于大行星的表面速度进行减速。
在动力下降段，存在一段称为避障的阶段。在此阶段，探测器一般利用水平方向的推力器，实现水平方向两个自由度的位移避障控制，同时在垂向方向下降到指定高度。
平移避障控制的主要任务是在最短的时间内无超调的完成避障任务。这就需要当位置误差较大时实现位置的快速机动，在位置误差较小时，实现位置的快速稳定控制。当存在推力和质量等误差时，往往难以同时满足位置的快速机动和快速稳定的性能。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，在存在位置误差的情况下难以同时满足位置的快速机动及快速稳定的问题，提出了一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，步骤如下：
(1)制定着陆过程控制区位置的分区方案；
(2)对分区方案获取的PD控制区进行定义，确定控制方法；
(3)对分区方案获取的抛物线控制区进行定义，确定控制方法；
(4)对分区方案获取的恒定速度控制区进行定义，确定控制方法；
(5)根据各控制区的定义及控制方法进行探测器着陆的平移避障。
所述步骤(1)中，对探测器深空着陆的水平方向划分为Y向及Z向，对各个方向进行位置及速度相平面划分，获取PD控制区、抛物线控制区、恒定速度控制区。
所述步骤(2)中，所述PD控制区的定义式为：
|r|≤Hm且|v|≤Vm
式中，Hm和Vm分别为设定的阈值；
PD控制区内，探测器采用PID控制，控制律具体为：
Figure BDA0003293991590000021
式中，kp>0为PD区的比例控制系数，kd>0为PD区的微分控制系数，ki>0为PD区的积分控制系数。
所述步骤(3)中，所述抛物线控制区的定义式为：
|r|≤HL且|v|≤VL且(|r|>Hm或|v|>Vm)
式中，HL和Hm分别为抛物线区域的位置控制上下限，VL和Vm分别为速度控制上下限；
抛物线控制区内，抛物线形式的目标速度曲线为：
Figure BDA0003293991590000022
Hm<|r|≤HL
式中，ac为控制加速度大小，r为位置控制误差，vd2为目标速度；
抛物线控制区的控制律具体为：
Figure BDA0003293991590000023
式中，kd,v>0为抛物线控制区的速度控制比例系数，ki,v>0为速度控制积分系数。
所述步骤(4)中，所述恒定速度控制区的定义式为：
vd1＝-sign(r)VL,|r|>HL
式中，VL为恒定速度大小；
恒定速度控制区的控制律具体为：
Figure BDA0003293991590000031
式中，kd,v>0为抛物线控制区的速度控制比例系数，ki,v>0为速度控制积分系数。
所述PD控制区、抛物线控制区、恒定速度控制区中，速度控制上限根据探测器允许的最大避障时间确定，与抛物线区域控制位置上限HL、恒定速度控制位置HL满足：
Figure BDA0003293991590000032
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，对动力下降段的平移避障，可以获得快速且无超调的平移避障能力，提高动力下降避障过程的快速性，在位置误差较大时，可以实现位置误差的快速减小，在位置误差较小时，可以实现位置的高精度稳定控制，从而可以获得快速机动和快速稳定的综合优点，可以同时兼顾快速机动和快速稳定的性能。
附图说明
图1为发明提供的着陆过程控制区位置分区示意图；
具体实施方式
一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，针对深空着陆中的平移避障问题，可以同时兼顾快速机动和快速稳定的性能，具体步骤如下：
(1)制定着陆过程控制区位置的分区方案；
其中，对探测器深空着陆的水平方向划分为Y向及Z向，对各个方向进行位置及速度相平面划分，获取PD控制区、抛物线控制区、恒定速度控制区；
(2)对分区方案获取的PD控制区进行定义，确定控制方法；
其中，PD控制区的定义式为：
|r|≤Hm且|v|≤Vm
式中，Hm和Vm分别为设定的阈值；
PD控制区内，探测器采用PID控制，控制律具体为：
Figure BDA0003293991590000041
式中，kp>0为PD区的比例控制系数，kd>0为PD区的微分控制系数，ki>0为PD区的积分控制系数；
(3)对分区方案获取的抛物线控制区进行定义，确定控制方法；
其中，抛物线控制区的定义式为：
|r|≤HL且|v|≤VL且(|r|>Hm或|v|>Vm)
式中，HL和Hm分别为抛物线区域的位置控制上下限，VL和Vm分别为速度控制上下限；
抛物线控制区内，抛物线形式的目标速度曲线为：
Figure BDA0003293991590000042
Hm1<|r|≤HL
式中，ac为控制加速度大小，r为位置控制误差，vd1为目标速度；
抛物线控制区的控制律具体为：
Figure BDA0003293991590000043
式中，kd,v>0为抛物线控制区的速度控制比例系数，ki,v>0为速度控制积分系数；
(4)对分区方案获取的恒定速度控制区进行定义，确定控制方法；
其中，恒定速度控制区的定义式为：
vd1＝-sign(r)VL,|r|>HL
式中，VL为恒定速度大小；
恒定速度控制区的控制律具体为：
Figure BDA0003293991590000051
式中，kd,v>0为抛物线控制区的速度控制比例系数，ki,v>0为速度控制积分系数；
(5)根据各控制区的定义及控制方法进行探测器着陆的平移避障。
具体的，PD控制区、抛物线控制区、恒定速度控制区中，速度控制上限VL根据探测器允许的最大避障时间确定，与抛物线区域控制位置下限HL满足：
Figure BDA0003293991590000052
下面根据具体实施例进行进一步说明：
在当前实施例中，如图1所示，深空着陆基于分区的的快速平移避障方法步骤如下：
(1)位置控制的分区方案
水平方向可划分为两个方向，设分别为Y和Z方向。对每个方向，如图1所示，都可将位置-速度相平面划分为三个区，分别为PD控制区、抛物线控制区和恒定速度控制区；
(2)PD控制区的定义和控制方法
PD控制区的定义方式为：
|r|≤Hm且|v|≤Vm
其中Hm和Vm分别为设定的阈值；
在PD控制区，探测器采用如下的PID控制器形式：
Figure BDA0003293991590000053
其中kp>0为PD区的比例控制系数，kd>0为PD区的微分控制系数，ki>0为PD区的积分控制系数；
(3)抛物线分区的定义和控制方法
抛物线分区的定义方式为：
|r|≤HL且|v|≤VL且(|r|>Hm或|v|>Vm)
其中HL和Hm分别为抛物线区域的位置控制上下限，VL和Vm分别为速度控制上下限；
在抛物线控制区，定义一条抛物线形式的目标速度曲线为：
Figure BDA0003293991590000061
其中ac为控制加速度大小，r为位置控制误差，vd2为目标速度；
抛物线控制区的控制律为：
Figure BDA0003293991590000062
其中kd,v>0为抛物线控制区的速度控制比例系数，ki,v>0为速度控制积分系数；
(4)恒定速度控制区
恒定速度控制区的定义方式为：
vd1＝-sign(r)VL,|r|>HL
其中VL为恒定速度大小；
恒定速度控制区的控制律与抛物线控制区的类似，为如下形式：
Figure BDA0003293991590000063
其中kd,v和ki,v的物理意义与步骤三中的系数相同；
(5)参数的选择原则
VL的选择应根据允许的最大避障时间来确定，一般由系统参数和性能要求综合确定。HL的选择，应满足
Figure BDA0003293991590000064
的关系式，使得从恒定速度控制过来的状态按照标称曲线能控制回原点。Hm和Vm的选择应能保证按照位置和速度分别为(Hm，Vm)的状态进入PD控制区后的不会离开该区域，并应大于允许的控制死区。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，其特征在于步骤如下：
(1)制定着陆过程位置控制的分区方案；
(2)对分区方案获取的PD控制区进行定义，确定控制方法；
(3)对分区方案获取的抛物线控制区进行定义，确定控制方法；
(4)对分区方案获取的恒定速度控制区进行定义，确定控制方法；
(5)根据各控制区的定义及控制方法进行探测器着陆的平移避障。
2.根据权利要求1所述的一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，对探测器深空着陆的水平方向划分为Y向及Z向，对各个方向进行位置及速度相平面划分，获取PD控制区、抛物线控制区、恒定速度控制区。
3.根据权利要求2所述的一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，所述PD控制区的定义式为：
|r|≤Hm且|v|≤Vm
式中，Hm和Vm分别为设定的阈值；
PD控制区内，探测器采用PID控制，控制律具体为：
Figure FDA0003293991580000011
式中，kp>0为PD区的比例控制系数，kd>0为PD区的微分控制系数，ki>0为PD区的积分控制系数。
4.根据权利要求3所述的一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，其特征在于：
所述步骤(3)中，所述抛物线控制区的定义式为：
|r|≤HL且|v|≤VL且(|r|>Hm或|v|>Vm)
式中，HL和Hm分别为抛物线区域的位置控制上下限，VL和Vm分别为速度控制上下限；
抛物线控制区内，抛物线形式的目标速度曲线为：
Figure FDA0003293991580000021
Hm<|r|≤HL
式中，ac为控制加速度大小，r为位置控制误差，vd2为目标速度；
抛物线控制区的控制律具体为：
Figure FDA0003293991580000022
式中，kd,v>0为抛物线控制区的速度控制比例系数，ki,v>0为速度控制积分系数。
5.根据权利要求4所述的一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，其特征在于：
所述步骤(4)中，所述恒定速度控制区的定义式为：
vd1＝-sign(r)VL
式中，VL为恒定速度大小；
恒定速度控制区的控制律具体为：
Figure FDA0003293991580000023
式中，kd,v>0为抛物线控制区的速度控制比例系数，ki,v>0为速度控制积分系数。
6.根据权利要求5所述的一种着陆过程基于分区的快速平移避障方法，其特征在于：
所述PD控制区、抛物线控制区、恒定速度控制区中，速度控制下限VL根据探测器允许的最大避障时间确定，与抛物线区域控制位置下限HL满足：
Figure FDA0003293991580000024
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