月球软着陆导航与控制方法研究

论文摘要

随着月球探测任务的发展,未来月球探测考察目标将主要是具有复杂地形特性的高科学价值区域。为了能够安全地在这些遍布岩石、弹坑的区域内完成高精度软着陆,这就要求导航和控制系统具有较强的自主性、鲁棒性以及实时性。本文针对最终着陆段安全、精确的需求,对月球软着陆导航与控制方法进行较深入研究,主要内容包括:首先,提出一种基于单帧图像信息的障碍检测方法。该方法根据着陆区内障碍成像的特点,通过匹配相应的阴影区与光照区完成对岩石、弹坑的检测,利用图像灰度方差对粗糙区域进行提取。在检测出障碍信息的基础上,选取安全着陆点以保证软着陆任务的成功。其次,给出一种基于矢量观测信息的自主光学导航方法。该方法利用光学相机和激光测距仪测量值构建着陆点相对着陆器的矢量信息,结合着陆器的姿态信息确定着陆器的位置。为了消除测量噪声带来的干扰,利用扩展Kalman滤波理论设计了导航滤波器。再次,提出一种李亚普诺夫函数障碍规避制导方法。该方法通过对状态函数、危险地形势函数的设计,以满足平移过程中减低障碍威胁与精确定点着陆两方面的需求,利用李亚普诺夫稳定定理设计平移控制律。考虑到李亚普诺夫制导律给出的控制力为变推力控制量,针对采用常推力侧向发动机的月球着陆器,设计PWPF(调频调宽)调节器实现定推力等效变推力控制效果。最后,针对采用变推力主发动机的月球着陆器,提出一种垂直软着陆控制方法。该方法采用标称控制与闭环控制相结合的方式,规划标称轨迹以保证着陆器到达着陆点时其下降速度、加速度亦为零,设计闭环控制器产生附加控制量消除初始偏差、着陆器质量变化的干扰,以保证着陆器沿标称轨迹到达着陆点。本文分别对所提出的最终着陆段导航与控制方法进行数学仿真以验证各方法的可行性。仿真结果表明,本文所给出导航控制方法能够达到较高的性能指标,满足在危险区域实现高精度软着陆的需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 障碍检测与规避技术研究现状
• 1.2.2 着陆段导航方法研究现状
• 1.2.3 垂直下降段制导控制技术研究现状
• 1.3 论文主要研究内容
• 第2章 基于单帧图像的障碍检测方法
• 2.1 障碍检测算法基本原理
• 2.2 图像预处理
• 2.3 月表岩石、弹坑检测方法
• 2.3.1 阴影区与光照区检测
• 2.3.2 障碍拟合与位置确定
• 2.3.3 冗余区域的扩充
• 2.4 月表粗糙度检测方法
• 2.5 安全着陆点的选取
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于矢量测量的光学导航方法研究
• 3.1 软着陆导航系统模型
• 3.1.1 导航坐标系
• 3.1.2 着陆器动力学模型
• 3.1.3 着陆器观测模型
• 3.2 导航滤波器设计
• 3.2.1 状态方程建立
• 3.2.2 观测方程建立
• 3.2.3 扩展kalman滤波器
• 3.3 仿真结果与分析
• 3.3.1 仿真条件
• 3.3.2 仿真结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 李亚普诺夫障碍规避制导方法
• 4.1 李亚普诺夫障碍规避算法
• 4.1.1 李亚普诺夫制导法基本原理
• 4.1.2 李亚普诺夫函数选取
• 4.1.3 障碍规避控制律的推导
• 4.2 控制力实现
• 4.2.1 PWPF调节器设计
• 4.2.2 调节器参数选取
• 4.3 仿真结果与分析
• 4.3.1 仿真条件
• 4.3.2 仿真结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 变推力垂直软着陆控制方法
• 5.1 控制系统组成与结构
• 5.2 软着陆控制器设计
• 5.2.1 动力学方程
• 5.2.2 标称轨迹与开环控制器设计
• 5.2.3 闭环控制器设计
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.3.1 仿真条件
• 5.3.2 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢