行星著陸器自主導(dǎo)航與控制方法研究.pdf

1、探測(cè)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(bào)，但由于深空探測(cè)目標(biāo)距地球較遠(yuǎn)，著陸天體的過程持續(xù)時(shí)間短，因此對(duì)探測(cè)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(jì)劃項(xiàng)目“深空探測(cè)自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深空探測(cè)自主導(dǎo)航理論與方法研究”等課題，針對(duì)深空探測(cè)著陸段的任務(wù)特點(diǎn)，對(duì)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?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　首先對(duì)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(cè)著陸段導(dǎo)航圖像的特點(diǎn)，發(fā)展了特征點(diǎn)檢測(cè)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(duì)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(cè)方法。借助改進(jìn)的邊緣檢測(cè)算法在圖像中獲得可能的隕石坑邊緣，為提高識(shí)別的準(zhǔn)確率，減少曲線擬合的計(jì)算負(fù)擔(dān)，通過張量投票去除噪聲及曲線外的點(diǎn)，由隨機(jī)采樣一致的方法擬合橢圓曲線，確定隕石坑位置和半長(zhǎng)軸等參數(shù)。
　　接著研究了基于對(duì)極約束原理的

3、幀間運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法，對(duì)采用該算法進(jìn)行探測(cè)器狀態(tài)確定的效果進(jìn)行了分析。針對(duì)探測(cè)器距離天體表面較遠(yuǎn)，特征點(diǎn)近似分布在同一個(gè)平面內(nèi)的特點(diǎn)，提出了利用單應(yīng)矩陣確定探測(cè)器相對(duì)位置和姿態(tài)的自主導(dǎo)航方案。該算法通過跟蹤特征點(diǎn)位置確定單應(yīng)矩陣，結(jié)合測(cè)距信息得到全部六自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)?？紤]到特征點(diǎn)實(shí)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(diǎn)匹配誤差和導(dǎo)航路標(biāo)位置的不確定性帶來(lái)的影響，研究了基于遞歸估計(jì)的自主導(dǎo)航

4、算法。通過觀測(cè)導(dǎo)航路標(biāo)的視線方向，在探測(cè)器動(dòng)力學(xué)約束下，借助導(dǎo)航濾波器估計(jì)探測(cè)器的位置和姿態(tài)，同時(shí)重構(gòu)路標(biāo)的位置。針對(duì)絕對(duì)導(dǎo)航計(jì)算量大，無(wú)法連續(xù)給出狀態(tài)估計(jì)的問題，提出了兩種相對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)和隕石坑匹配相結(jié)合的絕對(duì)導(dǎo)航算法。第一種算法通過觀測(cè)兩個(gè)隕石坑視線方向夾角，根據(jù)其位置構(gòu)建兩次拍照時(shí)探測(cè)器所在的位置面，進(jìn)而確定由遞歸算法給出的探測(cè)器相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅值和絕對(duì)位置。第二種算法借助相對(duì)運(yùn)動(dòng)估計(jì)給出的幀間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用兩次觀測(cè)到的隕石坑邊緣曲線方程

5、恢復(fù)探測(cè)器相對(duì)隕石坑的狀態(tài)。
　　然后研究了深空探測(cè)著陸段制導(dǎo)與控制策略。針對(duì)深空探測(cè)目標(biāo)動(dòng)力學(xué)環(huán)境，建立了探測(cè)器軌道和姿態(tài)動(dòng)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(cè)的下降控制律。分析了下降過程中動(dòng)力學(xué)模型的非線性問題，并發(fā)展了多項(xiàng)式制導(dǎo)策略。對(duì)于目標(biāo)引力場(chǎng)缺乏先驗(yàn)信息和受到導(dǎo)航方法制約而帶來(lái)的引力方向在特征點(diǎn)坐標(biāo)系下不確定等問題，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)魯棒控制器控制探測(cè)器跟蹤規(guī)劃下降軌跡。
　　最后在上述研究成果基礎(chǔ)上，