本文關(guān)鍵詞：深空探測器軟著陸制導(dǎo)與控制方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：深空探測任務(wù)中獲取科學(xué)數(shù)據(jù)的重要途徑是在目標天體上著陸，然后利用著陸器所攜帶科學(xué)儀器采樣分析或采樣返回地球。近年來隨著科學(xué)研究的進展，為了能夠?qū)哂懈呖茖W(xué)價值的特定區(qū)域進行采樣探測，需要探測器具有精確定點軟著陸的能力。本文針對深空探測器在精確定點軟著陸任務(wù)背景下的制導(dǎo)和控制方法進行了研究，主要工作如下： 在分析月球及火星探測器軟著陸過程的基礎(chǔ)上，確定了精確定點軟著陸背景下導(dǎo)航及障礙檢測敏感器對著陸任務(wù)的要求，提出了軟著陸軌跡優(yōu)化問題的約束條件。分析了傳統(tǒng)的非定點軟著陸動力學(xué)模型在精確定點軟著陸背景下存在的問題，針對精確定點軟著陸問題，在目標天體固聯(lián)坐標系及慣性坐標系下，分別建立了深空探測器軟著陸的三維動力學(xué)模型，并在慣性坐標系下引入軌道交會思想，簡化了固聯(lián)坐標系下時變非線性動力學(xué)模型。 在最優(yōu)控制理論基礎(chǔ)上，建立了深空探測器定點軟著陸軌跡優(yōu)化問題的模型，根據(jù)龐德亞金極小值原理，給出了定點軟著陸最優(yōu)推力方向及推力開關(guān)方程，并給出了最優(yōu)著陸過程不存在推力中間值的奇異區(qū)間的證明。引入非線性規(guī)劃中凸優(yōu)化理論，通過一系列凸變換將著陸軌跡優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成凸優(yōu)化問題，給出了著陸軌道優(yōu)化問題全局最優(yōu)解存在的證明。建立了著陸軌跡優(yōu)化問題的離散化模型，將連續(xù)系統(tǒng)最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為有限維參數(shù)優(yōu)化問題，采用非線性規(guī)劃中的內(nèi)點法得到了該參數(shù)優(yōu)化問題的數(shù)值解，并針對月球制動段、接近段和火星動力下降段場景進行了仿真分析。 針對深空探測器軟著陸最優(yōu)標稱軌跡跟蹤問題，通過引入線性系統(tǒng)模型跟蹤控制理論，給出了使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的模型參考跟蹤控制器的一般形式，采用一種基于特征結(jié)構(gòu)配置的反饋控制律設(shè)計方法，將反饋增益矩陣表示成由系統(tǒng)閉環(huán)極點和自由參數(shù)向量組成的參數(shù)矩陣，并引入閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)性能、Lyapunov穩(wěn)定原則作為反饋增益矩陣參數(shù)設(shè)計指標，將反饋增益矩陣的設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化問題，并結(jié)合實際系統(tǒng)模型，求解了反饋增益矩陣以及相應(yīng)的軌跡跟蹤控制器參數(shù)，通過仿真驗證了該軌跡跟蹤控制律的有效性。 建立了著陸過程姿態(tài)軌道全自由度動力學(xué)模型，根據(jù)Lyapunov意義下系統(tǒng)漸進穩(wěn)定的充分條件，針對誤差四元數(shù)運動學(xué)和姿態(tài)動力學(xué)方程，設(shè)計了著陸器姿態(tài)跟蹤控制律，并證明了其Lyapunov穩(wěn)定性。最后綜合著陸軌道優(yōu)化、標稱軌道跟蹤控制器、姿態(tài)跟蹤控制器以及精確定點著陸六自由度模型，在Matlab-Simulink環(huán)境下建立了深空探測器軟著陸六自由度閉環(huán)仿真系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)分析了系統(tǒng)建模誤差、控制器控制精度以及姿態(tài)控制延時對著陸軌道控制的影響，，驗證了本文中所提出的深空探測器精確定點軟著陸動力學(xué)模型的合理性以及相應(yīng)的軌道優(yōu)化算法、制導(dǎo)控制方法的有效性。
【關(guān)鍵詞】：定點軟著陸 軟著陸軌道優(yōu)化 軌跡跟蹤 姿態(tài)跟蹤
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 課題背景及意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析11-16
• 1.2.1 深空探測器軟著陸問題綜述11-13
• 1.2.2 軟著陸制導(dǎo)方法研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.3 考慮約束的著陸軌跡優(yōu)化問題研究現(xiàn)狀15
• 1.2.4 軟著陸控制方法研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3 論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排16-18
• 第2章 深空探測器軟著陸建模18-28
• 2.1 深空探測器軟著陸過程分析18-20
• 2.1.1 月球探測器軟著陸過程18-19
• 2.1.2 火星探測器軟著陸過程19-20
• 2.2 動力下降段著陸軌道約束20-21
• 2.3 深空探測器精確定點軟著陸動力學(xué)建模21-26
• 2.3.1 行星固聯(lián)坐標系下三維定點軟著陸問題建模23-25
• 2.3.2 慣性系下三維定點軟著陸問題建模25-26
• 2.4 本章小結(jié)26-28
• 第3章 深空探測器精確定點軟著陸軌道優(yōu)化28-50
• 3.1 引言28
• 3.2 最優(yōu)控制理論基礎(chǔ)28-31
• 3.2.1 龐德亞金極小值原理28-29
• 3.2.2 凸優(yōu)化理論基礎(chǔ)29-31
• 3.3 定點軟著陸軌跡優(yōu)化問題建模31-41
• 3.3.1 奇異過程分析33-35
• 3.3.2 基于凸變換的全局最優(yōu)解分析35-38
• 3.3.3 著陸軌跡優(yōu)化參數(shù)化建模38-41
• 3.4 軌跡優(yōu)化仿真分析41-49
• 3.4.1 月球軟著陸制動段仿真分析41-45
• 3.4.2 月球軟著陸接近段仿真分析45-47
• 3.4.3 火星探測器動力下降段仿真分析47-49
• 3.5 本章小結(jié)49-50
• 第4章 精確定點軟著陸軌跡跟蹤控制50-58
• 4.1 引言50
• 4.2 模型參考跟蹤控制50-52
• 4.3 基于特征結(jié)構(gòu)配置的反饋控制律設(shè)計52-53
• 4.4 標稱軌跡跟蹤仿真分析53-57
• 4.5 本章小結(jié)57-58
• 第5章 軟著陸制導(dǎo)控制系統(tǒng)閉環(huán)仿真58-74
• 5.1 引言58
• 5.2 定點軟著陸 6DOF 動力學(xué)模型58-61
• 5.3 姿態(tài)跟蹤控制器設(shè)計61-67
• 5.3.1 Lyapunov 穩(wěn)定理論61-62
• 5.3.2 Lyapunov 穩(wěn)定姿態(tài)跟蹤控制律62-64
• 5.3.3 姿態(tài)跟蹤仿真分析64-67
• 5.4 軟著陸制導(dǎo)控制系統(tǒng) 6DOF 閉環(huán)仿真67-73
• 5.5 本章小結(jié)73-74
• 結(jié)論74-76
• 參考文獻76-80
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果80-82
• 致謝82

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王鵬基;張q

本文編號：369267