多约束火星精确着陆制导与控制律研究

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火星探测是人类在深空探测过程中的热点，其中软着陆探测甚至采样后返回是最为理想的探测方式。在整个定点软着陆任务中，动力下降段的制导与控制是研究的重点。为保证安全高效地完成既定着陆任务，还需考虑诸如安全高度约束、推力幅值约束等实际物理约束，而约束的引入对制导与控制系统提出了诸多的挑战。本文以国家“973计划”项目“行星表面精确着陆导航与制导控制问题研究”为背景，在国内外已有成果的基础上，针对着陆器的动力学建模与约束分析、制导律与控制律设计、控制分配与位姿联合控制方面进行了深入研究。
　　本研究主要内容包括：⑴定义着陆点固连坐标系和着陆器本体坐标系，基于牛顿定律和牛顿-欧拉法分别建立对应坐标系下的着陆器平动运动方程和转动运动方程，随后分析了着陆器在实际着陆过程中需要考虑的斜坡约束、姿态方向约束、推力幅值约束、安全高度约束和状态量幅值约束并进行建模。⑵针对着陆点固连坐标系下的平动运动方程，考虑着陆过程实际物理约束，设计基于模型预测控制的在线优化制导律。考虑实际工程需求，以模型预测控制算法得出结果为初始猜想值，设计基于模型预测静态规划的离线优化制导律，通过数值仿真分别验证了在两种制导律的作用下，着陆器均可在满足约束的条件下完成定点的软着陆任务。⑶针对着陆器本体坐标系下的转动运动方程，考虑着陆器轨控执行机构欠驱动且无推力矢量功能的特性，推力方向的改变需由姿控系统实现，根据模型预测控制算法得出的期望推力矢量解算出期望姿态欧拉角，设计基于PD控制的姿态跟踪控制律。为提高跟踪的速度和精度，设计基于非奇异终端滑模的姿态跟踪控制律，通过数值仿真分别验证了在两种控制律的作用下，着陆器实际姿态均可快速精确地跟踪期望姿态。⑷根据着陆器姿态控制系统执行机构的布局情况，将基于非奇异终端滑模的姿态跟踪控制律得出的期望控制力矩分配到各执行机构即姿态控制发动机中，转换为其推力幅值和开启时间。选取基于模型预测控制的在线优化制导律和基于非奇异终端滑模的姿态跟踪控制律作为着陆过程的制导控制律，以姿态环为内环、位置环为外环构成双闭环系统，进行六自由度位姿联合仿真。从仿真结果中可知，着陆器在存在初始偏差及大角度姿态机动时仍可快速精确跟踪期望姿态且可实时优化消除姿控时延带来的推力偏差，验证了制导控制律的正确性。

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作者
王汀;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科控制工程
授予学位硕士
导师姓名马广富;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类太阳探测器与行星探测器;降落制导;
关键词
火星探测器; 精确软着陆; 姿态跟踪; 约束制导;

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2. 基于模型预测控制的多约束火星精确着陆制导律研究 [J] . 王汀1 ,郭延宁1 ,张瑶1 . 深空探测学报 . 2016,第004期
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