本技术介绍了一种绳系小行星探测器在不规则引力场中的着陆控制技术。该技术允许探测器与着陆器在小行星不规则引力场中进行分离,并基于精确的控制算法实现安全着陆。
背景技术
小行星由于体积质量小,形状不规则,且周围其他天体对其产生影响,这就造成了小行星临近空间内存在弱且不规则的复杂引力场,同时表面质地松软,这对探测器执行着陆与附着任务带来极大挑战。而且小行星自旋速度快、表面环境复杂,给探测器着陆点规划、探测器导航与控制技术带来极大困难。
而针对当前小行星探测着陆,主要存在的两种方法:固定着陆式与接触即离式。但采用固定着陆式的探测器在着陆后易发生弹跳,与预期位置产生误差从而无法达到预期效果。而采用接触即离式虽然不易发生反弹与倾覆的问题,但由于其接触时间短,取样效果无法保证。针对这两种方法提出了结合空间绳系小行星探测器系统的绳系小行星探测器方案,通过使探测器悬停在距离小行星表面一定距离处,释放着陆器下降着陆,探测器与着陆器之间存在空间绳系连接,在着陆器的微推力发动机以及空间绳系的作用下,实现着陆器在小行星表面的着陆,进而开展探测任务。
然而由于绳系小行星探测器存在空间绳系的柔性连接,是一个强非线性强耦合绳系小行星探测器系统,这对控制着陆器以及保持探测器悬停都存在很大的影响;同时存在于小行星临近空间的弱不规则复杂引力场以及深空环境下各种天体影响,都会对绳系小行星探测器控制带来挑战。目前主要的研究方法包括闭环控制和最优轨迹规划,但仍然存在一些问题。由于小行星复杂的引力场环境以及动力学模型不精确等问题,目前采用闭环控制的方法对不规则引力场以及未知环境仍然缺乏适用性。而使用最优轨迹的方法则由于高度依赖初始估计的准确性使得收敛性较差,同时由于绳系小行星探测器系统动力学较为复杂,且存在保证探测器安全飞行和对探测器控制能力进行限制的约束条件,导致建立小行星着陆轨迹规划最优控制问题难以求解且计算速度较慢。
本发明提出一种基于绳系张力控制的鲁棒跟踪(Model Predictive Control,简称为MPC)模型预估计控制器来实现探测器的着陆,以保证着陆器下降过程中可以按照预期轨迹以及预期速度的同时,绳子张力可以保持稳定,并且可以较好的应对因不规则复杂引力场导致的动力学模型不准确问题。
实现思路