發(fā)布時間：2017-11-13 21:25

  本文關(guān)鍵詞：火星著陸器軌跡跟蹤控制方法研究

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【摘要】：火星著陸探測是人類深空探測的重要領(lǐng)域,大氣進(jìn)入段軌跡跟蹤控制對火星著陸器的精準(zhǔn)著陸至關(guān)重要�；鹦侵懫鞔髿膺M(jìn)入段軌跡跟蹤控制具有大氣密度不確定、氣動參數(shù)不確定、初始大氣進(jìn)入點(diǎn)誤差以及建模誤差等特點(diǎn),存在系統(tǒng)參數(shù)大范圍劇烈變化,具有嚴(yán)重的不確定性、強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性等問題。因此,研究火星著陸器大氣進(jìn)入段軌跡跟蹤控制問題具有重要的意義。本文以滑�？刂萍夹g(shù)和不確定估計方法為基礎(chǔ),構(gòu)造了幾種復(fù)合控制策略,有效解決了在各種不確定因素的影響下,大氣進(jìn)入段的精確軌跡跟蹤控制問題,使得火星著陸器系統(tǒng)具有魯棒性、精確性和快速性。針對火星著陸器在大氣進(jìn)入段飛行的特點(diǎn),進(jìn)行了以下研究:1.針對火星大氣密度不確定情況,研究了火星著陸器大氣進(jìn)入段快速、高精度軌跡跟蹤控制問題。分析歸納了火星著陸器大氣進(jìn)入段過程中的不確定性來源,建立了面向控制器設(shè)計的火星著陸器非線性模型。利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對火星著陸器總不確定項(xiàng)進(jìn)行精確估計,然后利用滑模控制技術(shù)的快速響應(yīng),實(shí)現(xiàn)了火星著陸器高精度的軌跡跟蹤控制。滑�？刂萍夹g(shù)的快速響應(yīng)和觀測器的精確估計能力相結(jié)合,有效解決了觀測器的估計能力有限的問題,同時有效減少了滑模控制抖振的影響。2.在上述研究基礎(chǔ)上,同時考慮火星大氣密度不確定和氣動參數(shù)不確定的影響,針對火星著陸器大氣進(jìn)入段軌跡跟蹤控制問題進(jìn)行了討論。設(shè)計了基于高階滑�？刂品桨�,保證火星著陸器大氣進(jìn)入段軌跡跟蹤系統(tǒng)的有限時間穩(wěn)定。分析火星著陸器在不確定情況下軌跡跟蹤控制問題的特點(diǎn),結(jié)合自抗擾技術(shù),采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對產(chǎn)生總擾動項(xiàng)進(jìn)行估計,實(shí)現(xiàn)火星著陸器高性能軌跡跟蹤控制。此方案無需大氣密度不確定和氣動參數(shù)不確定的確切上界,而且能有效的發(fā)揮高階滑模高精度的特性,實(shí)現(xiàn)快速、高精度、有限時間穩(wěn)定的控制性能。3.考慮初始進(jìn)入點(diǎn)誤差的影響,進(jìn)一步綜合火星大氣密度不確定、氣動參數(shù)不確定以及初始進(jìn)入點(diǎn)誤差等情況,研究了基于非奇異全階終端滑模技術(shù)和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器估計方法的火星著陸器大氣進(jìn)入段有限時間軌跡跟蹤控制問題。設(shè)計了基于非奇異全階終端滑�？刂品桨�,保證火星著陸器大氣進(jìn)入段軌跡跟蹤系統(tǒng)有限時間穩(wěn)定。分析火星大氣密度不確定性、氣動參數(shù)不確定、初始進(jìn)入點(diǎn)誤差等因素對火星著陸器軌跡跟蹤系統(tǒng)的影響,利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對產(chǎn)生的總擾動項(xiàng)進(jìn)行精確估計并實(shí)時在線補(bǔ)償。結(jié)合非奇異全階滑模的快速性和魯棒性,從而實(shí)現(xiàn)了存在氣動環(huán)境復(fù)雜情況下,火星著陸器大氣進(jìn)入段有限時間軌跡跟蹤控制,精確到達(dá)預(yù)定的開傘點(diǎn),為整個火星探測任務(wù)的完成提供支持。4.考慮建模誤差的影響,在上述研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮火星大氣密度不確定、著陸器氣動參數(shù)不確定、初始狀態(tài)偏差及建模誤差的影響,研究了基于非奇異全階終端滑模技術(shù)和微分觀測器的火星著陸器大氣進(jìn)入段魯棒、高精度軌跡跟蹤控制問題。分析了大氣進(jìn)入段大氣密度不確定、著陸器氣動參數(shù)不確定、初始狀態(tài)誤差及建模誤差等主要干擾影響,設(shè)計了火星著陸器大氣進(jìn)入段軌跡跟蹤控制方案,實(shí)現(xiàn)了火星著陸器在大氣進(jìn)入段的有限時間軌跡跟蹤控制。火星大氣環(huán)境復(fù)雜是造成著陸誤差的主要原因,針對不同火星大氣密度不確定情況,進(jìn)行了詳細(xì)的仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果顯示本章所提出的控制算法與之前提出的控制算法相比,魯棒性更強(qiáng)、精度更高。與傳統(tǒng)的控制方法相比,在抗干擾能力方面更為突出。5.仿真實(shí)例驗(yàn)證了控制方案的合理性和有效性。仿真模型采用美國宇航局公布的好奇號火星著陸器模型參數(shù)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)證了控制方案的有效性。最后,歸納總結(jié)了本論文的主要研究成果,并對今后的工作進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V476.4

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本文編號：1182492