月球探测器自主导航与控制方法研究

论文摘要

自主导航与控制是月球探测器的关键技术之一。本文结合月球探测工程二三期预研项目“月球软着陆综合仿真演示验证技术”,对月球探测器的自主导航与控制方法进行了较深入的研究。论文的主要研究内容包括:针对奔月轨道段任务,给出了基于地月信息的自主光学导航方法。在奔选取地心和月心像素作为观测量,建立了符合实际情况的量测噪声模型和自主导航系统的观测方程,并利用基于UD分解的递推加权最小二乘算法估计了奔月探测器的轨道参数。针对绕月轨道段任务,提出了基于高斯-马尔科夫过程和Unscented卡尔曼滤波的自主轨道确定方法。利用高斯-马尔科夫过程近似绕月探测器的无模型加速度,并利用基于Unscented卡尔曼滤波估计了探测器的位置、速度及无模型加速度。数学仿真结果表明,提出的导航方法是可行的,能够满足月球探测器奔月与绕月轨道段导航精度的要求。针对着陆轨道段任务,给出了一种基于特征点跟踪的自主导航方法。首先利用特征点的图像坐标和探测器到三个特征点的距离信息构建了着陆点坐标系,确定了探测器相对着陆点坐标系的位置和姿态。接着给出了基于扩展卡尔曼滤波的自主导航算法,有效地估计了探测器的状态,抑制了测量噪声,并通过特征点跟踪与继承,解决了导航过程中特征点可能逸出相机视场的问题。最后通过数学仿真验证了提出方法的有效性。针对动力下降段任务,给出了基于多项式规划和二次序列规划的月球软着陆制导方法。首先利用三次多项式规划垂直方向上的最优着陆轨迹,并基于加速度矢量之间的几何关系,给出了制导控制量-推力方向角的显式表达式,从而得到了基于多项式规划的月球软着陆闭环制导律,避免了求解两点边值问题的困难。接着通过将常推力软着陆轨迹离散化,利用离散点处状态连续作为约束条件,把常推力的软着陆轨迹优化问题转化为一个非线性规划问题,并利用SQP方法进行了求解,从而得到了基于二次序列规划的月球软着陆制导律。针对垂直下降段任务,提出了一种基于T-S模型的月球软着陆模糊控制方法。在建立一类非线性系统的T-S模型的基础上,考虑所建立的T-S模型与原系统的误差,设计了月球软着陆的重力转弯模糊跟踪控制器。并针对系统所受的外加干扰及参数不确定性,将模型跟踪设计方法与干扰解耦和鲁棒

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究目的及意义
• 1.2 月球探测历史回顾与最新进展
• 1.3 探测器自主导航研究现状与分析
• 1.3.1 探测器自主导航方法
• 1.3.2 探测器自主导航系统
• 1.3.3 探测器自主导航测量类型
• 1.3.4 深空探测自主导航敏感器
• 1.3.5 深空探测自主导航算法研究现状
• 1.4 导航滤波器的研究现状与分析
• 1.5 月球探测自主导航控制研究现状与分析
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 基于日-地-月信息的自主导航方法
• 2.1 引言
• 2.2 基于日-地-月信息的自主导航原理
• 2.2.1 有测高信息的日-地-月自主导航原理
• 2.2.2 无测高信息的日-地-月自主导航原理
• 2.3 基于日-地-月信息的自主导航数学模型
• 2.3.1 轨道动力学方程
• 2.3.2 系统的观测方程
• 2.4 基于日-地-月信息的奔月自主导航方法
• 2.4.1 导航图像处理
• 2.4.2 可观性分析
• 2.4.3 自主导航算法
• 2.5 基于日-地-月信息的绕月自主导航方法
• 2.5.1 无模型加速度的近似
• 2.5.2 扩展的轨道参数方程
• 2.5.3 利用Unscented卡尔曼滤波的自主定轨算法
• 2.6 数学仿真与分析
• 2.6.1 奔月自主导航的数学仿真与分析
• 2.6.2 绕月自主导航的数学仿真与分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于特征跟踪的自主光学导航方法
• 3.1 引言
• 3.2 基于月表特征点的自主导航原理
• 3.2.1 相对位置确定
• 3.2.2 相对姿态与速度确定
• 3.3 基于月表特征点的自主导航数学模型
• 3.3.1 动力学模型
• 3.3.2 导航测量
• 3.4 基于月表特征点的自主导航方法
• 3.5 月球自主着陆制导与控制
• 3.6 数学仿真与分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于多项式规划与SQP的软着陆制导方法
• 4.1 引言
• 4.2 问题描述
• 4.3 基于多项式规划的制导控制方法
• 4.3.1 着陆动力学方程
• 4.3.2 最优轨迹
• 4.3.3 多项式制导律
• 4.3.4 最优推力方向角
• 4.3.5 局部时间求取
• 4.3.6 仿真分析
• 4.4 基于序列二次规划的最优制导控制方法
• 4.4.1 软着陆动力学方程
• 4.4.2 边界条件及待优化目标函数
• 4.4.3 轨道优化方法
• 4.4.4 仿真计算
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于T-S模型的月球软着陆模糊控制方法
• 5.1 引言
• 5.2 模糊输出跟踪控制器的设计
• 5.2.1 系统参考模型
• 5.2.2 稳定性分析
• 5.2.3 鲁棒性分析
• 5.2.4 干扰解耦
• 5.2.5 DPDC优化模糊跟踪控制器的设计及分析
• 5.3 月球重力转弯制导控制中的应用
• 5.3.1 问题的描述
• 5.3.2 稳定性
• 5.3.3 鲁棒稳定性
• 5.3.4 干扰解耦
• 5.4 本章小结
• 第6章 月球软着陆的自主障碍检测与规避方法
• 6.1 引言
• 6.2 基于多级灰度阈值融合的障碍目标检测
• 6.2.1 图像预处理
• 6.2.2 多灰度级阈值分割
• 6.2.3 基于C-均值聚类的障碍目标识别
• 6.2.4 障碍目标的实际面积与高度评估
• 6.3 基于激光扫描雷达的障碍检测方法
• 6.3.1 初始数据处理
• 6.3.2 着陆器障碍检测算法
• 6.3.3 数值仿真及结果
• 6.4 月球软着陆器自主障碍规避控制方法
• 6.4.1 着陆点坐标系内动力学模型
• 6.4.2 着陆器障碍规避算法
• 6.4.3 数值仿真及结果
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历