針對登月飛行器著陸粗避障和精避障階段的策略控制問題,本文基于軟著陸動力學思想,通過計算機仿真及模擬退火算法求解了避障段的最優(yōu)燃料消耗控制策略.以嫦娥三號登月為算例,粗避障時,首先將距月面2400 m數字高程圖劃分為100 m×100 m的子區(qū)域塊,并將標準化后的最高海拔、最低海拔、最小坡度角作為指標,評價各子區(qū)域著陸安全度,進而利用柯西隸屬函數對各安全度定量評價,繪出安全度灰度圖;然后將考慮燃料消耗作為優(yōu)化的目標函數建立非線性規(guī)劃模型,采用模擬退火算法尋找最佳的落月位置,并仿真繪出該階段的下落軌跡,求得嫦娥三號粗避障用時25.7 s,耗油63.86 kg.在粗避障操作基礎上,通過各發(fā)動機的脈沖組合調整使嫦娥三號水平飛行至最佳落月地點上方,可實現精避障段的最優(yōu)控制策略.
【部分圖文】：

T為第n次退火后的溫度.并用選定的終止溫度30E10=以判斷退火過程是否結束,即當T<E時,算法結束并輸出當前最優(yōu)100m×100m著陸安全子區(qū)域和嫦娥三號在粗避障段所消耗的最少燃料f.1.2模型求解與結論(ⅰ)綜合評價地面安全程度.基于距月球2400m處的數字高程圖,可按照模型對任一100m×100m子區(qū)域Ω進行評價.為初步得到評價結果,首先將數字高值圖初步分為23×23的子區(qū)域方陣,根據D的定義表達式,計算得到每一個子區(qū)域的安全程度,并通過灰度圖像進行直觀展示.距月球2400m觀測所得地形的等高線圖和安全程度灰度圖如圖1和2所示.圖1為嫦娥三號在距月球表面2400m所拍攝的地形圖對應的等高線圖.圖2中,白色方框所圍部分表示著陸安全度D大于等于0.62的子區(qū)域,其中D的計算表達式采用中優(yōu)化后的結果,即將三個指標權重分別調整至0.73,0.93和0.65.(ⅱ)模擬退火尋求最佳著陸位置.由于將數字高值圖初步分為23×23的子區(qū)域方陣并不精確,應考慮數字高值圖中所有可能的100m×100m子區(qū)域,則滿足著陸安全度D大于等于0.62的子區(qū)域數目將更為龐大.為在眾多安全著陸子區(qū)域求得最佳選擇,以使得燃料消耗最優(yōu),采用模擬退火法進一步求解著陸位置.為觀察模擬退火算法對尋找最佳著陸子區(qū)域的可行性,在求解初始時刻嫦娥三號在2300m×2300m圖1粗避障階段地形等高線圖Figure1Contourofthecoarseobstacleavoidance圖2粗避障階段安全程度灰度圖Figure2Safetygreyscaleimageofthecoarseobstacleavoidance

窠崾?即當T<E時,算法結束并輸出當前最優(yōu)100m×100m著陸安全子區(qū)域和嫦娥三號在粗避障段所消耗的最少燃料f.1.2模型求解與結論(ⅰ)綜合評價地面安全程度.基于距月球2400m處的數字高程圖,可按照模型對任一100m×100m子區(qū)域Ω進行評價.為初步得到評價結果,首先將數字高值圖初步分為23×23的子區(qū)域方陣,根據D的定義表達式,計算得到每一個子區(qū)域的安全程度,并通過灰度圖像進行直觀展示.距月球2400m觀測所得地形的等高線圖和安全程度灰度圖如圖1和2所示.圖1為嫦娥三號在距月球表面2400m所拍攝的地形圖對應的等高線圖.圖2中,白色方框所圍部分表示著陸安全度D大于等于0.62的子區(qū)域,其中D的計算表達式采用中優(yōu)化后的結果,即將三個指標權重分別調整至0.73,0.93和0.65.(ⅱ)模擬退火尋求最佳著陸位置.由于將數字高值圖初步分為23×23的子區(qū)域方陣并不精確,應考慮數字高值圖中所有可能的100m×100m子區(qū)域,則滿足著陸安全度D大于等于0.62的子區(qū)域數目將更為龐大.為在眾多安全著陸子區(qū)域求得最佳選擇,以使得燃料消耗最優(yōu),采用模擬退火法進一步求解著陸位置.為觀察模擬退火算法對尋找最佳著陸子區(qū)域的可行性,在求解初始時刻嫦娥三號在2300m×2300m圖1粗避障階段地形等高線圖Figure1Contourofthecoarseobstacleavoidance圖2粗避障階段安全程度灰度圖Figure2Safetygreyscaleimageofthecoarseobstacleavoidance

1491論文區(qū)域的中心位置后,考慮初始位置在其他點時的退火結果.相關結果如表1所示,其中“著陸子區(qū)域坐標”表示100m×100m著陸子區(qū)域中心的坐標位置.得到不同初始位置所對應的100m×100m著陸子區(qū)域位置和耗油量后,通過計算及仿真的方法直觀描繪出嫦娥三號在粗避障段下降軌跡,如圖3所示.圖3中水平分辨率為1m/像素,高度數值單位為1m,圓圈表示嫦娥三號的末位置,方框表示其中間過程位置,白色叉號表示嫦娥三號在精避障后的垂直投影位置.當嫦娥三號以57m/s的速度進入粗避障段且初始位置為(1100,1100,2493)時,其最佳100m×100m著陸子區(qū)域的中心坐標位置為(1101,1101,193),其中坐標單位為m.通過對加速下落時間1t、勻速下落時間2t和加速下落時間3t求和,可得到粗避障段總耗時25.7s.由表1可知,最優(yōu)消耗燃料63.86kg.2精避障段的最優(yōu)控制策略為使嫦娥三號降至月球表面時可以精確地避開較小的隕石坑,并合理調動各姿態(tài)調整發(fā)動機以減少能源消耗,需要探求飛嫦娥三號在精避障段的最優(yōu)控制策略.求解嫦娥三號在精避障段的控制策略表1模擬退火算法結果Table1Resultsofthesimulatedannealing初始位置坐標(m)模擬退火次數著陸區(qū)域坐標(m)區(qū)域安全程度耗油量(kg)(1100,1100,2493)69044(1101,1101,193)0.6963.86(1,1500,2500)67305(236,2106,192)0.6377.60(1500,500,2495)69765(1603,500,205)0.6381.91圖3粗避障段下落仿真圖(單位m)Figure3Landingsimulationofthecoarseobstacleavoidance(Unit:m)方式與“粗避障段的最優(yōu)控制策略”求解相似.基于距月球100m處的數字高程圖,嫦娥三號需要在月球表面精確尋求安全著陸子區(qū)域,考慮到嫦娥三號的大小參數和著陸后月球車的行駛空間大小,將嫦娥三號精確尋得的安全著陸?

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