探测器软着陆小行星的自适应超螺旋控制

针对探测器软着陆小行星的轨道控制问题,本文提出了一种基于自适应超螺旋算法的控制方法,避免了传统滑模控制的高频抖振,并且结构简单、无需已知外界扰动时间导数的上界。首先,将软着陆的轨道控制问题描述为一类非线性系统的镇定问题。其次,基于球谐系数法表示的小行星引力场模型设计前馈控制律,将系统解耦为三个滑模函数的一阶子系统。然后,针对每个子系统设计自适应超螺旋控制器,并证明闭环系统的稳定性。最后,将本文提出的控制方法与传统的自适应滑模控制进行了对比仿真,结果表明,所提出的算法能使系统更快地收敛到滑模面上,同时有效抑制抖振效应。

一种6-DOF小行星着陆轨迹序列凸优化方法

针对6自由度的小行星动力着陆多约束轨迹优化问题,提出了一种基于序列凸优化的小行星着陆轨迹优化算法。首先采用多面体引力场模型计算小行星的引力场,其可用于描述任意形状的小行星引力场,且比质点群法和球谐函数展开法等方法计算精度更高。为了在凸约束下解决小行星着陆过程燃料消耗最优问题,通过对探测器动力学模型及其约束进行线性化和离散化,将原来的非凸连续时间优化问题转化为凸化的子问题,即二阶锥规划问题(SOCP);然后引入了虚拟控制项和信赖域,以增强算法的鲁棒性。通过在形状不规则小行星上的着陆模拟,验证了所提出算法的有效性,仿真结果满足各项约束条件,可实现高精度着陆和燃料消耗最优的目标。

基于特征跟踪辅助的小行星着陆先验位姿纠正

针对小行星着陆视觉导航过程中可能出现的先验位姿不准确场景,提出一种基于特征跟踪辅助的位姿估计方法。利用先验位姿信息和三维导航特征数据库实时生成导航特征,并利用手工与深度特征联合的多特征判别式相关滤波跟踪导航特征在导航相机影像中的位置,进一步利用平均峰相关能量筛选出可靠的跟踪结果用于位姿初步估计,基于该初步估计的位姿重新生成导航特征,并使其与导航相机影像做归一化相关匹配,该过程将在可微分的列文伯格−马夸尔特框架中基于归一化相关系数约束来实现位姿优化。利用“冥王号”(Origins,Spectral Interpretation,Resource Identification,and Security-Regolith Explorer,OSIRIS-REx)任务的影像、地形和星历数据进行位姿估算实验,结果表明:在先验位姿不同程度噪声的干扰下,提出算法的位姿估计重投影误差均为亚像素,在距离小行星表面1 km处,位置估算误差在2 m以内,姿态估算误差在1°以内,可有效纠正不准确的先验位姿。

着陆小行星的视线测量自主光学相对导航算法及其可观性分析

以软着陆小行星为工程应用背景,提出了基于视线(LOS)测量的自主光学相对导航算法,并对导航算法的可观性进行了比较深入的分析研究。首先,基于透视投影模型的共线方程,给出了导航测量方程和测量敏感矩阵;接着,通过多个视线矢量的测量,应用高斯最小二乘微分修正(GLSDC)和龙贝格-马尔塔(LM)算法对探测器的位置和姿态参数进行了估计。然后,通过对误差方差阵逆矩阵秩的分析,比较详尽地分析了不同数量视线观测条件下导航算法的可观度和可观性。最后,通过数学仿真对所提出的自主导航算法的可行性进行了验证。

小行星着陆器锚系统及其实验研究

针对小行星表面着陆器容易反弹及飘走的难题,设计了一种将着陆器锚固在小行星表面的锚系统。基于小行星特点,对锚系统设计方案进行了分析,选择"链式锚固方式"作为本研究的锚系统方案。基于该方案对锚系统进行了设计,其包括锚固单元、缠绕单元、解锁单元、线绳单元及电气控制单元。对锥形锚尖的侵彻深度进行了研究。经过在冻土介质中的侵彻/锚固实验及气浮微重力环境下的拖拽实验,证明该锚系统具有微重力环境下对小行星着陆器进行锚固及拖拽的基本功能。

小行星着陆装置着陆动力学及着陆性能分析

小行星着陆装置实现着陆器在小行星表面的着陆,其动力学及着陆性能研究对着陆装置研制具有重要意义.基于三腿式小型着陆装置,在对其结构特点及着陆策略分析的基础上,采用Lagrange方程建立了二维着陆动力学模型,模型对着陆及翻转阶段的动力学特性进行了描述,其计算结果与仿真验证较为接近且具有一致的变化趋势.在最大允许倾角为30°的着陆面上,采用仿真分析方法对着陆装置在不同着陆速度及偏航角下的着陆性能进行了统计分析,结果表明着陆装置具有良好的着陆性能.

基于H∞滤波技术的小行星软着陆光学惯性组合导航方法研究

针对Kalman滤波技术在应用于软着陆小行星光学惯性组合导航系统过程中所存在的诸多问题，考虑系统存在的建模误差和外界干扰不确定因素，将H∞范数引入到滤波问题中，构建H∞滤波器，并将所得结果应用于小行星软着陆光学惯性组合导航系统中。仿真结果表明，与Kalman滤波技术相比，基于H∞滤波技术的小行星软着陆光学惯性组合导航系统在保证相对较高导航精度的同时，极大地改善了系统的鲁棒性和可靠性。

小行星着陆段自主轨迹分段规划方法

大多数小行星的形状都是不规则的,其附近的引力场十分复杂。且小行星所处的环境未知,这就导致小行星附近的飞行任务变得极其困难。而在远离地球的深空,又存在着通信延迟、环境不确定等问题,着陆过程中需要赋予探测器自主轨迹规划的能力。以小行星自主着陆为研究对象,利用分段规划的方法对小行星着陆段轨迹进行求解。采用多面体模型近似小行星的引力场,在此基础上对小行星动力学进行分析。运用RRT算法对导航点序列进行初步规划,再利用最优控制原理对导航点之间的轨迹进行精确求解,最终实现探测器在小行星着陆段的自主轨迹规划。

小行星着陆附着系统弹射机构设计

小行星弹射着陆附着系统弹射机构用于将锚装置以一定初速射向小行星表层,从而实现着陆器在小行星表面的有效固定。弹射筒与延时作动器组成了一个火工弹射机构,弹射筒将锚装置以一定的速度弹出;延时作动器是锚装置的重要组件,采用机械式触发,用于在锚装置射入小行星表面以后延时将锚装置内部机构强力展开,起到增大锚装置附着力的作用。弹射机构弹射锚装置相对于弹射锚装置配质量的弹射速度大幅下降,是由于延时作动器的延期针刺雷管工作后产生高压燃气,推动延时作动器的推杆反向撞击弹射筒活塞,与活塞形成了一个类似于"空气弹簧"造成的。通过增加延时作动器卡箍的方式将推杆击发雷管后锁住,达到防止反弹撞击活塞降低弹射速度的目的。该设计方式对弹射机构的内部结构设计提供了一种新的思路和方法。

行星着陆探测中的动力学与控制研究进展

着陆探测是获取行星特性和科学数据最直接、最有效的途径,也是目前技术难度最大、最为复杂的探测方式。在行星着陆探测过程中,动力学与控制是影响任务成败的关键因素之一。文章首先分析了行星着陆探测动力学与控制研究所面临的挑战与难题;然后,针对火星和小行星的着陆探测,重点分析了火星着陆进入段和下降段所涉及的动力学与控制,小行星附着探测动力学建模与制导控制的研究现状与关键问题;最后,提出了我国在行星着陆探测动力学与控制领域的未来重点发展方向。