行星著陸器自主導(dǎo)航與控制方法研究.pdf

1、探測器著陸行星表面進(jìn)行科學(xué)考察可以獲得豐厚的科學(xué)回報，但由于深空探測目標(biāo)距地球較遠(yuǎn)，著陸天體的過程持續(xù)時間短，因此對探測器的自主導(dǎo)航控制技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。本學(xué)位論文結(jié)合863計劃項目“深空探測自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”，國家自然科學(xué)基金項目“深空探測自主導(dǎo)航理論與方法研究”等課題，針對深空探測著陸段的任務(wù)特點，對自主導(dǎo)航制導(dǎo)控制系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的研究。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　首先對光學(xué)導(dǎo)航所涉及的圖像處理問

2、題進(jìn)行了研究。根據(jù)深空探測著陸段導(dǎo)航圖像的特點，發(fā)展了特征點檢測與匹配算法，并分析了匹配算法在噪聲干擾及光照變化條件下的性能。針對以隕石坑作為導(dǎo)航路標(biāo)的視覺導(dǎo)航算法，提出了一種基于邊緣信息的隕石坑檢測方法。借助改進(jìn)的邊緣檢測算法在圖像中獲得可能的隕石坑邊緣，為提高識別的準(zhǔn)確率，減少曲線擬合的計算負(fù)擔(dān)，通過張量投票去除噪聲及曲線外的點，由隨機采樣一致的方法擬合橢圓曲線，確定隕石坑位置和半長軸等參數(shù)。
　　接著研究了基于對極約束原理的

3、幀間運動估計方法，對采用該算法進(jìn)行探測器狀態(tài)確定的效果進(jìn)行了分析。針對探測器距離天體表面較遠(yuǎn)，特征點近似分布在同一個平面內(nèi)的特點，提出了利用單應(yīng)矩陣確定探測器相對位置和姿態(tài)的自主導(dǎo)航方案。該算法通過跟蹤特征點位置確定單應(yīng)矩陣，結(jié)合測距信息得到全部六自由度運動參數(shù)。考慮到特征點實際位置并不完全滿足平面假設(shè)，通過數(shù)值方法分析了算法應(yīng)用的合理性。
　　為了克服特征點匹配誤差和導(dǎo)航路標(biāo)位置的不確定性帶來的影響，研究了基于遞歸估計的自主導(dǎo)航

4、算法。通過觀測導(dǎo)航路標(biāo)的視線方向，在探測器動力學(xué)約束下，借助導(dǎo)航濾波器估計探測器的位置和姿態(tài)，同時重構(gòu)路標(biāo)的位置。針對絕對導(dǎo)航計算量大，無法連續(xù)給出狀態(tài)估計的問題，提出了兩種相對運動估計和隕石坑匹配相結(jié)合的絕對導(dǎo)航算法。第一種算法通過觀測兩個隕石坑視線方向夾角，根據(jù)其位置構(gòu)建兩次拍照時探測器所在的位置面，進(jìn)而確定由遞歸算法給出的探測器相對運動幅值和絕對位置。第二種算法借助相對運動估計給出的幀間旋轉(zhuǎn)運動，利用兩次觀測到的隕石坑邊緣曲線方程

5、恢復(fù)探測器相對隕石坑的狀態(tài)。
　　然后研究了深空探測著陸段制導(dǎo)與控制策略。針對深空探測目標(biāo)動力學(xué)環(huán)境，建立了探測器軌道和姿態(tài)動力學(xué)模型。為了完成障礙規(guī)避等任務(wù)，研究了基于模糊預(yù)測的下降控制律。分析了下降過程中動力學(xué)模型的非線性問題，并發(fā)展了多項式制導(dǎo)策略。對于目標(biāo)引力場缺乏先驗信息和受到導(dǎo)航方法制約而帶來的引力方向在特征點坐標(biāo)系下不確定等問題，設(shè)計了自適應(yīng)魯棒控制器控制探測器跟蹤規(guī)劃下降軌跡。
　　最后在上述研究成果基礎(chǔ)上，