本發(fā)明涉及深空探測領(lǐng)域，特別是一種面向復雜月面工況的無人自主自適應鉆進方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科技的進步，人類目前已經(jīng)有能力達到地球以外的天外星體。天外星體的深空探測對人類開展探索地球生命起源、研究恒星演化和恒星與行星形成關(guān)系等具有重大科學意義。在此條件下，國際上的主要航天國家都開展或計劃開展各種深空探測項目，特別是各種星壤采樣返回任務，星壤采樣任務的難點與星壤的性質(zhì)關(guān)聯(lián)很大，特別是在深層月壤鉆取采樣任務中。

實際月壤的形成主要受物理破碎作用控制，隕石和微隕石撞擊在其中起主導作用。由于隕石撞擊產(chǎn)生高溫熔融及破碎作用，月壤中常含有玻璃球、粘結(jié)顆粒，以及玄武巖、角礫巖碎塊等，顆粒組成較為復雜。實際月壤呈現(xiàn)以下典型性質(zhì)：(1)月壤無水表現(xiàn)出較強的散體顆粒性質(zhì)；(2)密實度高；(3)月壤級配復雜不確定性高，不同著陸區(qū)域模擬月壤有很大差異性。

國際上通常采用螺旋鉆具回轉(zhuǎn)和進行動作實施月壤鉆進取樣任務，然而對某一確定狀態(tài)的螺旋鉆具，一個固定的回轉(zhuǎn)和進尺參數(shù)只能保證月壤狀態(tài)波動一定范圍內(nèi)正常鉆進取樣，高密實度和大內(nèi)摩擦角下可允許的月壤狀態(tài)波動范圍進一步縮小。面對實際月面不確定性復雜月壤工況，無人月面采樣任務中需要采用一種自動辨識和參數(shù)匹配方法，達到針對不確定月面工況的無人自主自動采樣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種面向復雜月面工況的無人自主自適應鉆進方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠自動識別月壤工況進而自動匹配相應鉆進參數(shù)，提高了月面取樣可靠性，降低月面取樣成本。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種面向復雜月面工況的無人自主自適應鉆進方法，包括如下步驟：

(1)將可選擇的螺旋鉆具鉆進參數(shù)組合按照容易鉆進模擬月壤組合中模擬月壤的程度進行排序，獲得包括多個鉆進參數(shù)組合的第一結(jié)果；所述的鉆進參數(shù)為螺旋鉆具回轉(zhuǎn)檔位、進尺檔位的組合；所述的模擬月壤組合包括多種標準的模擬月壤；

(2)根據(jù)螺旋鉆具進尺驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動能力、安全裕度，設(shè)定第一結(jié)果中各個鉆進參數(shù)組合的鉆進力載判斷閾值，并作為第二結(jié)果；

(3)獲取當前需要鉆進的實際工況月壤，根據(jù)第一結(jié)果中的多個鉆進參數(shù)依次對實際月壤進行鉆進，并使用第二結(jié)果中的鉆進力載判斷閾值進行判斷，直至完成實際月壤鉆進取樣，并生成第三結(jié)果；所述的第三結(jié)果包括完成實際月壤鉆進最終使用的鉆進參數(shù)及當前鉆進參數(shù)對應的標準的模擬月壤。

所述的將可選擇的螺旋鉆具鉆進參數(shù)組合按照容易鉆進模擬月壤組合中模擬月壤的程度進行排序，獲得包括多個鉆進參數(shù)組合的第一結(jié)果的方法包括如下步驟：

(1)根據(jù)螺旋鉆具回轉(zhuǎn)檔位M檔、進尺檔位N檔形成M×N種鉆進參數(shù)組合，然后設(shè)定L種標準的模擬月壤{S₁,...,S_L}，采用M×N種鉆進參數(shù)組合控制螺旋鉆具對L種標準的模擬月壤開展M×N×L組鉆取試驗，得到M×N×L組試驗數(shù)據(jù)；所述的試驗數(shù)據(jù)包括鉆進力載、取樣量；

(2)對M×N×L組試驗數(shù)據(jù)中的鉆進力載進行平滑處理、取樣量進行統(tǒng)計，然后按照平滑處理的鉆進力載大小對M×N種鉆進參數(shù)進行排序，當鉆進力載相等時，對應取樣量較大的鉆進參數(shù)放置在對應取樣量較小的鉆進參數(shù)前；進而得到鉆進參數(shù)序列{A₁,...,A_M×N}，并作為第一結(jié)果。

所述的根據(jù)螺旋鉆具進尺驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū)動能力、安全裕度，設(shè)定第一結(jié)果中各個鉆進參數(shù)組合的鉆進力載判斷閾值，并作為第二結(jié)果的方法包括如下步驟：

(1)將螺旋鉆具進尺驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動力作為鉆進參數(shù)組合A_i運行進尺力載的最高上界F^sup，選擇安全裕度η，進而得到鉆進參數(shù)組合A_i的鉆進力載判斷閾值F_i^sup為

F_i^sup＝F^sup/η；其中，安全裕度η為1.5

(2)對于鉆進參數(shù)組合序列{A₁,...,A_M×N}中前1/3的鉆進參數(shù)組合A_i，修正其判斷閾值F_i^sup為

F_i^sup＝F^supγ/η，其中，γ∈(0,1)；將所有鉆進參數(shù)組合A_i對應的鉆進力載判斷閾值組合得到第二結(jié)果。

所述的獲取當前需要鉆進的實際工況月壤，根據(jù)第一結(jié)果中的多個鉆進參數(shù)依次對實際月壤進行鉆進，并使用第二結(jié)果中的鉆進力載判斷閾值進行判斷，直至完成實際月壤鉆進取樣，并生成第三結(jié)果的方法包括如下步驟：

(1)獲取當前需要鉆進的實際月壤，依次使用鉆進參數(shù)組合{A₁,...,A_M×N}中鉆進參數(shù)對實際月壤進行鉆進；

(2)如果采用鉆進參數(shù)組合A_j工作，螺旋鉆具的鉆進力載大于則轉(zhuǎn)入步驟(3)，如果采用鉆進參數(shù)組合A_j工作，螺旋鉆具的鉆進力載不大于則使用鉆進參數(shù)A_j進行實際月壤的鉆進并完成鉆進采樣，將鉆進參數(shù)A_j及鉆進參數(shù)A_j對應的標準的模擬月壤作為第三結(jié)果，其中，j的初值為1；

(3)j＝j(luò)+1，轉(zhuǎn)入步驟(2)，直至生成第三結(jié)果，并完成實際月壤的鉆進采樣。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明方法通過對鉆進參數(shù)組合進行排序，解決了螺旋鉆具對月壤的鉆進取芯性能評價問題，從鉆進取樣角度將鉆進參數(shù)與月壤狀態(tài)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，簡單有效，具有很好的使用價值；

(2)本發(fā)明方法通過月壤狀態(tài)識別算法和鉆進參數(shù)匹配方法，解決了實際月面工況不確定與螺旋鉆具鉆進取樣性能依賴月壤狀態(tài)的矛盾，具有很好的普適應。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種面向復雜月面工況的無人自主自適應鉆進方法原理圖；

圖2為本發(fā)明一種面向復雜月面工況的無人自主自適應鉆進方法流程圖；

圖3為本發(fā)明方法中鉆進參數(shù)組合排序方法流程圖；

圖4為本發(fā)明方法中月壤狀態(tài)識別邏輯流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種面向復雜月面工況的無人自主自適應鉆進方法，，與現(xiàn)有技術(shù)相比能夠自動識別月壤工況進而自動匹配相應鉆進參數(shù)，提高了月面取樣可靠性，降低月面取樣成本，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明方法進行詳細說明。

如圖1為本發(fā)明一種面向復雜月面工況的無人自主自適應鉆進方法原理圖，面向復雜工況的無人自主自適應鉆進取樣方法原理包括：

(1)將可選擇的鉆進參數(shù)組合按照容易鉆進的程度進行排序，獲得第一結(jié)果；

(2)按照產(chǎn)品允許驅(qū)動能力及足夠的安全裕度，設(shè)定各鉆進參數(shù)組合下的判斷閾值，獲得第二結(jié)果；

(3)通過第一結(jié)果和第二結(jié)果，針對某一不確定工況月壤，形成月壤狀態(tài)識別算法，得到第三結(jié)果；

(4)通過第三結(jié)果，根據(jù)第三結(jié)果識別出的月壤狀態(tài)，形成鉆進參數(shù)匹配算法包括，獲得第四結(jié)果。

(5)自適應控制算法程序化及無人自主自適應月面采樣。

本發(fā)明方法提供的初始條件包括一套螺旋鉆具，一套驅(qū)動系統(tǒng)，實際月面月壤狀態(tài)包絡(luò)范圍及相應標準模擬月壤。通過以上初始條件，在月面工作過程中針對不確定工況的月壤，自動識別月壤狀態(tài)并匹配相應驅(qū)動參數(shù)，實現(xiàn)月面無人自主自適應鉆進取樣，如圖2所示為本發(fā)明一種面向復雜月面工況的無人自主自適應鉆進方法流程圖。為實現(xiàn)上述目的，提供一種面向不確定性月面面工況的螺旋鉆具自動鉆進取樣方法，并采用如下技術(shù)路徑：

更具體的，步驟(1)可通過圖3進一步的闡明，首先根據(jù)螺旋鉆具的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)定的回轉(zhuǎn)檔位M檔和進尺檔位N檔形成M╳N種鉆進參數(shù)組合；根據(jù)實際月面工況，設(shè)定L種標準的模擬月壤{S₁,...,S_L}，要求以上L中標準月壤工況能代表實際月壤工況特性；制備L中模擬月壤，采用M╳N種鉆進參數(shù)控制系統(tǒng)驅(qū)動鉆具開展M╳N╳L組鉆取試驗；對試驗數(shù)據(jù)進行處理，其中，對鉆進力載進行平滑處理，對取樣量進行統(tǒng)計；按照平滑后鉆進力載的大小進行排序，其中對同樣鉆取月壤對象，力載較大者排前；對差別不容易區(qū)分部分按照取樣量進行排序，取樣較高或能夠取到月壤樣品種類較多者排前面；最終形成一種越靠前越能取到樣品，越靠后鉆進力載越來越小的鉆進參數(shù)組合序列{A₁,...,A_M×N}，獲得第一結(jié)果。

更具體的，步驟(2)可進一步說明：照產(chǎn)品允許的加載驅(qū)動能力及足夠的安全裕度，設(shè)定各鉆進參數(shù)組合下的判斷閾值包括：將鉆具進尺驅(qū)動系統(tǒng)的能力作為每種鉆進參數(shù)組合A_i下允許運行進尺力載最高上界F^sup，在合理選擇安全裕度η條件下，鉆進參數(shù)組合A_i下設(shè)置的閾值F_i^sup應該滿足ηF_i^sup≤F^sup，一般選擇F_i^sup＝F^sup/η；對于鉆進參數(shù)組合序列中比較靠前的鉆進參數(shù)組合A_i，與其匹配的月壤狀態(tài)中正常鉆進取樣的力載F_i^nor一般與F^sup/η相差較大，此時可以取F_i^sup＝F^supγ/η，其中γ∈(0,1)，F(xiàn)_i^sup作為鉆進參數(shù)組合A_i下的鉆進力載判斷閾值，得到第二結(jié)果。

更具體的，步驟(3)可通過圖4的具體實施例進一步的闡明：正對某一不確定月壤工況的月壤，首先嘗試采用鉆進參數(shù)組合序列{A₁,...,A_M×N}中的鉆進參數(shù)組合A₁，如果A₁能驅(qū)動鉆具實現(xiàn)正常鉆進取樣，當前鉆進月壤即為與A₁對應的月壤狀態(tài)；如果一段時間后鉆進力載超過第二結(jié)果確定的鉆進力載閾值F₁^sup，則鉆進驅(qū)動參數(shù)調(diào)整為A₂；在鉆進參數(shù)組合A₂工作狀態(tài)下繼續(xù)觀察鉆進力載，如果力載仍然超過A₂對應的鉆進力載閾值鉆進驅(qū)動參數(shù)調(diào)整為A₃；依次類推，知道鉆進驅(qū)動參數(shù)調(diào)整至A_i，鉆進力載控制在F_i^sup以下，此時確定當前鉆進月壤工況為如果最終鉆進參數(shù)調(diào)整至A_M×N，則當前月壤狀態(tài)為A_M×N正常取樣所對應的月壤狀態(tài)，得到第三結(jié)果。

更具體的，步驟(4)可進一步說明：月壤狀態(tài)及與之相對應的鉆進參數(shù)組合A_i，如果已經(jīng)識別出來，則系統(tǒng)鉆進參數(shù)維持在鉆進參數(shù)組合A_i；月壤狀態(tài)正在被識別過程中；分別采用A₁，A₂，...A_i-1短時間工作，一旦鉆進力載大于F_i^sup，鉆進檔位自動切換至鉆進參數(shù)序列中下一個值檔位，得到第四結(jié)果。

更具體的，步驟(5)可進一步說明：將第三結(jié)果和第四辨識邏輯及月壤參數(shù)匹配算法實現(xiàn)過程軟件編程，得到面向復雜月壤工況的無人自主自適應鉆進軟件，驅(qū)動鉆具工作，最終在無人自主條件下實現(xiàn)了不確定工況月壤自主自適應鉆進。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。