本發(fā)明涉及一種行星著陸障礙規(guī)避控制方法，尤其涉及一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規(guī)避控制方法，屬于深空探測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：小天體著陸障礙規(guī)避問(wèn)題是小天體著陸探測(cè)的重要問(wèn)題，關(guān)系小天體著陸任務(wù)的成敗和小天體探測(cè)器的安全。由于小天體形狀不規(guī)則且表面曲率較大，可供小天體著陸的區(qū)域一般面積較小。同時(shí)，小天體表面崎嶇不平，且存在大量的隕石坑、巖石、斜坡、山丘等，對(duì)小天體探測(cè)器的安全構(gòu)成直接威脅。由于小天體環(huán)境不確定性較大，且測(cè)繪精度有限，探測(cè)器在著陸過(guò)程中需對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行障礙檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)到的障礙進(jìn)行有效規(guī)避，以實(shí)現(xiàn)自主安全著陸。在先技術(shù)[1](參見(jiàn)Lopez,Ismael,McInnes,ColinR.Autonomousrendezvoususingartificialpotentialfunctionguidance[J].JournalofGuidance,Control,andDynamics,1995,18(2):237-241.)，針對(duì)自主交會(huì)對(duì)接問(wèn)題，提出了一種人工勢(shì)函數(shù)制導(dǎo)控制方法，在實(shí)現(xiàn)自主交會(huì)的同時(shí)，能夠?qū)Χ嗵幷系K進(jìn)行規(guī)避。在先技術(shù)[2](參見(jiàn)ZhuSY,CuiPY,HuHJ,HazarddetectionandavoidanceforplanetarylandingbasedonLyapunovcontrolmethod[C].IntelligentControlandAutomation.Beijing:[s.n.],2012)，采用勢(shì)函數(shù)控制方法研究了小天體著陸障礙規(guī)避問(wèn)題，根據(jù)探測(cè)器當(dāng)前的勢(shì)能與障礙地形對(duì)探測(cè)器的威脅選取李雅普諾夫函數(shù)，并通過(guò)李雅普諾夫穩(wěn)定性原理推導(dǎo)穩(wěn)定控制律，因而能夠保證探測(cè)器到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的同時(shí)有效降低碰撞的概率。適應(yīng)行星表面環(huán)境的不確知特點(diǎn)，對(duì)行星表面的復(fù)雜障礙進(jìn)行有效規(guī)避，提高障礙規(guī)避的魯棒性和可靠性，上述技術(shù)問(wèn)題是行星著陸障礙規(guī)避方法需要進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明公開(kāi)的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規(guī)避控制方法，要解決的技術(shù)問(wèn)題是降低行星表面多擾動(dòng)、不確知環(huán)境對(duì)探測(cè)器障礙規(guī)避控制的影響，對(duì)行星表面的復(fù)雜障礙進(jìn)行有效規(guī)避，實(shí)現(xiàn)自主安全精確著陸。此外，本發(fā)明還具有魯棒性好和高實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明公開(kāi)的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規(guī)避控制方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù)中關(guān)于目標(biāo)點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，保證探測(cè)器趨近于目標(biāo)著陸點(diǎn)，同時(shí)滿足目標(biāo)著陸速度。引入探測(cè)器位置的協(xié)方差矩陣，計(jì)算探測(cè)器與各障礙區(qū)域的碰撞概率?；谂鲎哺怕蕵?gòu)建李雅普諾夫函數(shù)，利用李雅普諾夫穩(wěn)定性原理求取控制加速度，利用求取的加速度控制探測(cè)器著陸軌跡，降低行星表面多擾動(dòng)、不確知環(huán)境對(duì)探測(cè)器障礙規(guī)避控制的影響，對(duì)行星表面的復(fù)雜障礙進(jìn)行有效規(guī)避，實(shí)現(xiàn)自主安全精確著陸。本發(fā)明公開(kāi)的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規(guī)避控制方法，包括如下步驟：步驟一、建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。在著陸點(diǎn)固聯(lián)坐標(biāo)系下建立探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)方程：r·=vv·=g-2ω×v-ω×ω×r+a---(1)]]>其中r＝[x,y,z]T為探測(cè)器在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T為探測(cè)器的速度矢量，ω為目標(biāo)天體自轉(zhuǎn)角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T為探測(cè)器受到的目標(biāo)天體引力加速度，a為施加的控制加速度。步驟二、構(gòu)建步驟四李雅普諾夫函數(shù)中關(guān)于目標(biāo)點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)φq，保證探測(cè)器趨近于目標(biāo)著陸點(diǎn)，同時(shí)滿足目標(biāo)著陸速度。構(gòu)建關(guān)于目標(biāo)點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)φqφq＝(x-xt)TQ(x-xt)(2)其中x＝[x,y,z,vx,vy,vz]T為探測(cè)器狀態(tài)變量，xt為目標(biāo)狀態(tài)，Q為以qi＞0,i＝1,...,6為對(duì)角線的對(duì)角矩陣。上式表示的勢(shì)場(chǎng)，存在唯一的極小值點(diǎn)，為目標(biāo)著陸狀態(tài)xt。只要保證探測(cè)器狀態(tài)x沿勢(shì)場(chǎng)降低的方向前進(jìn)，探測(cè)器將趨近于目標(biāo)著陸點(diǎn)，同時(shí)滿足目標(biāo)著陸速度。步驟三、計(jì)算探測(cè)器與第i個(gè)障礙區(qū)域的碰撞概率pi。假設(shè)探測(cè)器的實(shí)際位置符合高斯分布，在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下的水平位置名義值即均值為rhr＝[x,y]T，協(xié)方差矩陣為C。相比于名義位置，探測(cè)器處于障礙區(qū)域的概率密度比較均勻，則將障礙區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的概率密度近似視為相等。將障礙區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的概率密度近似為區(qū)域中心處的概率密度，則探測(cè)器實(shí)際位置處于第i個(gè)障礙區(qū)域，即與第i個(gè)障礙區(qū)域的碰撞概率為：pi=Si12π|C|e-12(rci-rhr)TC-1(rci-rhr),i=1,...,k---(3)]]>其中rci為第i個(gè)障礙區(qū)域中心的位置，Si為小天體表面第i個(gè)障礙區(qū)域的面積，k為障礙區(qū)的數(shù)量。由于在碰撞概率pi的計(jì)算中，通過(guò)引入探測(cè)器位置的協(xié)方差矩陣C考慮探測(cè)器位置的不確定性信息，因此能夠提高探測(cè)器障礙規(guī)避的有效性，提高魯棒性。步驟四、構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù)。根據(jù)步驟二中關(guān)于目標(biāo)點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)和步驟三計(jì)算的探測(cè)器與第i個(gè)障礙區(qū)域的碰撞概率pi，構(gòu)建如下形式的李雅普諾夫函數(shù)φ：φ=φq+φp=(x-xt)TQ(x-xt)+Σi=1kkipi,i=1,...,k---(4)]]>其中ki＞0為權(quán)重系數(shù)。步驟五、求取控制加速度a，利用加速度a控制探測(cè)器著陸軌跡，降低行星表面多擾動(dòng)、不確知環(huán)境對(duì)探測(cè)器障礙規(guī)避控制的影響，對(duì)行星表面的復(fù)雜障礙進(jìn)行有效規(guī)避，實(shí)現(xiàn)自主安全精確著陸。令aq=-q1(x-xt)-ω2x-2ωvy-gx-κvx/q4-q2(y-yt)-ω2y+2ωvx-gy-κvy/q5-q3(z-zt)-gz-κvz/q6---(5)]]>ap=-Σi=1kkiSi8π|C|e-12(rci-rhr)TC-1(rci-rhr)(C-1(rci-rhr)+C-T(rci-rhr))Qv-1---(6)]]>其中Qv為以qi,i＝4,5,6為對(duì)角線的對(duì)角矩陣，κ為正實(shí)數(shù)。障礙規(guī)避的控制加速度a為：a＝aq+ap(7)利用加速度a控制探測(cè)器著陸軌跡，降低行星表面多擾動(dòng)、不確知環(huán)境對(duì)探測(cè)器障礙規(guī)避控制的影響，對(duì)行星表面的復(fù)雜障礙進(jìn)行有效規(guī)避，實(shí)現(xiàn)自主安全精確著陸。步驟五求取的控制加速度a為解析形式，不含積分等復(fù)雜運(yùn)算，滿足在線反饋控制的實(shí)時(shí)性要求。有益效果1、本發(fā)明公開(kāi)的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規(guī)避控制方法，通過(guò)構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù)，利用李雅普諾夫穩(wěn)定性原理求取控制加速度，能夠?qū)π行潜砻娴膹?fù)雜障礙進(jìn)行有效規(guī)避，實(shí)現(xiàn)自主安全精確著陸。2、本發(fā)明公開(kāi)的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規(guī)避控制方法，通過(guò)在碰撞概率的計(jì)算及控制加速度的求取過(guò)程中引入探測(cè)器位置的協(xié)方差矩陣，考慮探測(cè)器位置不確定性的影響，因此障礙規(guī)避效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)障礙規(guī)避方法，此外，在探測(cè)器位置存在較大不確定性的情況下，具有更好的魯棒性。3、本發(fā)明公開(kāi)的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規(guī)避控制方法，求取的控制加速度a為解析形式，不含積分等復(fù)雜運(yùn)算，在保證精度的前提下能夠降低碰撞概率計(jì)算量，滿足在線反饋控制的實(shí)時(shí)性要求。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規(guī)避控制方法的流程圖；圖2為本發(fā)明方法李雅普諾夫函數(shù)勢(shì)場(chǎng)分布圖；圖3為本發(fā)明方法李雅普諾夫函數(shù)勢(shì)場(chǎng)水平分布圖；圖4為存在較大位置誤差情況下的障礙規(guī)避軌跡(水平方向，傳統(tǒng)方法)；圖5為存在較大位置誤差情況下的障礙規(guī)避軌跡(水平方向，本發(fā)明方法)；圖6為探測(cè)器的三軸速度時(shí)間歷程(本發(fā)明方法)；圖7為探測(cè)器的三軸控制加速度時(shí)間歷程(本發(fā)明方法)；圖8為蒙特卡洛仿真中距障礙中心的最短距離分布(傳統(tǒng)方法)；圖9為蒙特卡洛仿真中距障礙中心的最短距離分布(本發(fā)明方法)；具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1本實(shí)施例公開(kāi)的一種基于碰撞概率的行星著陸障礙規(guī)避控制方法，以小天體著陸障礙規(guī)避控制為例，實(shí)現(xiàn)本實(shí)施方式方法包括以下步驟，如圖1所示：步驟一、建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程。在著陸點(diǎn)固聯(lián)坐標(biāo)系下建立探測(cè)器的動(dòng)力學(xué)方程：r·=vv·=g-2ω×v-ω×ω×r+a]]>其中r＝[x,y,z]T為探測(cè)器在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下的位置矢量，v＝[vx,vy,vz]T為探測(cè)器的速度矢量，ω為目標(biāo)天體自轉(zhuǎn)角速度矢量，g＝[gx,gy,gz]T為探測(cè)器受到的目標(biāo)天體引力加速度，a為施加的控制加速度。步驟二、構(gòu)建步驟四李雅普諾夫函數(shù)中關(guān)于目標(biāo)點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)φq，保證探測(cè)器趨近于目標(biāo)著陸點(diǎn)，同時(shí)滿足目標(biāo)著陸速度。構(gòu)建關(guān)于目標(biāo)點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)φqφq＝(x-xt)TQ(x-xt)其中x＝[x,y,z,vx,vy,vz]T為探測(cè)器狀態(tài)變量，xt為目標(biāo)狀態(tài)，Q為以qi＞0,i＝1,...,6為對(duì)角線的對(duì)角矩陣。上式表示的勢(shì)場(chǎng)，存在唯一的極小值點(diǎn)，為目標(biāo)著陸狀態(tài)xt。只要保證探測(cè)器狀態(tài)x沿勢(shì)場(chǎng)降低的方向前進(jìn)，探測(cè)器將趨近于目標(biāo)著陸點(diǎn)，同時(shí)滿足目標(biāo)著陸速度。步驟三、計(jì)算探測(cè)器與障礙區(qū)域的碰撞概率。假設(shè)探測(cè)器的實(shí)際位置符合高斯分布，在著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下的水平位置名義值即均值為rhr＝[x,y]T，協(xié)方差矩陣為C，則探測(cè)器實(shí)際處于第i個(gè)障礙區(qū)域的概率，即與第i個(gè)障礙區(qū)域的碰撞概率為pi=∫∫12π|C|e-12(ri-rhr)TC-1(ri-rhr)dxidyi,i=1,...,k---(8)]]>其中ri＝[xi,yi]T為第i個(gè)障礙區(qū)域各點(diǎn)的水平位置，積分區(qū)域即為小天體表面的第i個(gè)障礙區(qū)域，k為障礙區(qū)的數(shù)量。相比于名義位置，探測(cè)器處于障礙區(qū)域的概率密度比較均勻，則將障礙區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的概率密度近似視為相等，以對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化，減小計(jì)算量，提高實(shí)時(shí)性。將障礙區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的概率密度近似為區(qū)域中心處的概率密度，則上式化簡(jiǎn)為pi=Si=12π|C|e-12(rci-rhr)T(rci-rhr),i=1,...,k]]>其中rci為第i個(gè)障礙區(qū)域中心的位置，Si為小天體表面第i個(gè)障礙區(qū)域的面積。由于在碰撞概率pi的計(jì)算中，通過(guò)引入探測(cè)器位置的協(xié)方差矩陣C考慮探測(cè)器位置的不確定性信息，因此能夠提高探測(cè)器障礙規(guī)避的有效性，提高魯棒性。通過(guò)合理近似，對(duì)公式(8)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在保證精度的前提下降低碰撞概率pi的計(jì)算量，提高算法實(shí)時(shí)性。步驟四、構(gòu)建李雅普諾夫函數(shù)。根據(jù)步驟二中關(guān)于目標(biāo)點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)和步驟三計(jì)算的探測(cè)器與障礙區(qū)域的碰撞概率pi，構(gòu)建如下形式的李雅普諾夫函數(shù)：φ=φq+φp=(x-xt)TQ(x-xt)+Σi=1kkipi,i=1,...,k]]>其中ki＞0為權(quán)重系數(shù)。由于Q為正定矩陣，因而φq>0,x-xt≠0φq=0,x-xt=0---(9)]]>且φp≥0，則對(duì)任意x-xt≠0，有φ＞0(10)且φ→∞,當(dāng)||x-xt||→∞(11)滿足穩(wěn)定性條件。步驟五、求取控制加速度a，利用加速度a控制探測(cè)器著陸軌跡，降低行星表面多擾動(dòng)、不確知環(huán)境對(duì)探測(cè)器障礙規(guī)避控制的影響，對(duì)行星表面的復(fù)雜障礙進(jìn)行有效規(guī)避，實(shí)現(xiàn)自主安全精確著陸。根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性理論，系統(tǒng)需滿足φ·=∂φ∂xx·<0,x-xt≠0---(12)]]>即(∂φq∂x+∂φp∂x)x·<0,x-xt≠0---(13)]]>令aq=-q1(x-xt)-ω2x-2ωvy-gx-κvx/q4-q2(y-yt)-ω2y+2ωvx-gy-κvy/q5-q3(z-zt)-gz-κvz/q6]]>ap=-Σi=1kkiSi8π|C|e-12(rci-rhr)TC-1(rci-rhr)(C-1(rci-rhr)+C-T(rci-rhr))Qv-1]]>a＝aq+aq其中Qv為以qi,i＝4,5,6為對(duì)角線的對(duì)角矩陣，κ為正實(shí)數(shù)。對(duì)探測(cè)器施加以上控制加速度時(shí)，滿足φ·=-2κ(vx2+vy2+vz2)<0,x-xt≠0---(14)]]>則系統(tǒng)為全局穩(wěn)定的。利用加速度a控制探測(cè)器著陸軌跡，降低行星表面多擾動(dòng)、不確知環(huán)境對(duì)探測(cè)器障礙規(guī)避控制的影響，對(duì)行星表面的復(fù)雜障礙進(jìn)行有效規(guī)避，實(shí)現(xiàn)自主安全精確著陸。步驟五求取的控制加速度a為解析形式，不含積分等復(fù)雜運(yùn)算，滿足在線反饋控制的實(shí)時(shí)性要求。本實(shí)施例以433Eros小行星為目標(biāo)星進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真條件為：在小天體著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下，探測(cè)器的初始位置為[-1200,-1300,100]T，目標(biāo)狀態(tài)為零點(diǎn)，小天體表面障礙中心位置為[-450,-600]T，障礙區(qū)半徑為100m，探測(cè)器三軸位置誤差的標(biāo)準(zhǔn)差分別為50m，50m，10m。李雅普諾夫函數(shù)勢(shì)場(chǎng)分布圖(圖2、圖3)、傳統(tǒng)方法與本發(fā)明方法在較大位置誤差情況下的規(guī)避軌跡比較(圖4、圖5)、本方法的探測(cè)器三軸速度、加速度時(shí)間歷程(圖6、圖7)、傳統(tǒng)方法與本發(fā)明方法在500次蒙特卡洛仿真中距障礙中心的最短距離分布比較(圖8、圖9)。附圖的仿真結(jié)果顯示：在存在較大位置不確定性，傳統(tǒng)障礙規(guī)避方法無(wú)法有效規(guī)避障礙(圖4)的情況下，本實(shí)施例提出的障礙規(guī)避控制方法由于引入了探測(cè)器位置協(xié)方差矩陣定量計(jì)算與障礙區(qū)域的碰撞概率，因此仍能有效完成障礙規(guī)避(圖5)，且速度、加速度曲線平滑(圖6、圖7)，能夠?qū)崿F(xiàn)自主安全精確著陸。蒙特卡洛仿真結(jié)果顯示，在探測(cè)器位置存在較大誤差的情況下，以探測(cè)器在著陸過(guò)程中距障礙中心的最短距離(水平方向)為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，該距離小于100米(即在著陸過(guò)程中進(jìn)入障礙區(qū)，任務(wù)失敗)的比例為：傳統(tǒng)障礙規(guī)避方法35.2％(圖8)，本實(shí)施例提出的基于碰撞概率的行星著陸障礙規(guī)避控制方法15.8％(圖9)。由于在控制加速度的求取過(guò)程中考慮了探測(cè)器位置的不確定性并通過(guò)碰撞概率定量描述，本實(shí)施例方法在不確定條件下的障礙規(guī)避成功率顯著高于傳統(tǒng)方法，具有更好的魯棒性。以上所述的具體描述，對(duì)發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3