一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法
【专利摘要】一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，在深空天体软着陆过程中使用变推力摇摆发动机进行姿态控制会对着陆轨迹产生干扰。在线估计出变推力摇摆发动机摆角中用于消除质心偏移的部分，并修正飞行姿态是降低变推力摇摆发动机姿控与轨控耦合的重要措施。本发明首先需要对变推力摇摆发动机的摆角进行在线估计，提取出摆角的稳定分量；然后，利用该摆角稳定分量估值修正目标飞行姿态，使校正后的推力方向与制导律期望的推力方向一致，以主动消除变推力摇摆发动机姿控摆动对制导的影响。本发明能够在姿控的同时最大程度地降低对制导的干扰，即使制导无三方向位置控制能力时，也能尽可能保证飞行轨迹与理想轨迹一致。
【专利说明】一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，属于深空探测自主控制领域。
【背景技术】
[0002]着陆探测是深空探测的一种重要手段。对于大型着陆器或者着陆大型天体的探测器来说，为了降低着陆速度，抵消目标天体引力，着陆发动机的推力势必很大。若采用大型着陆发动机，受到发动机制造、安装以及下降过程推进剂排放不平衡等因素的影响，着陆发动机推力方向不会恰好过质心，这样就会产生很大的姿态干扰力矩，对姿态控制产生不利影响。解决的方法有两种。一种方法是安装较大的姿态控制发动机来抵消着陆发动机产生的干扰力矩，但从工程实现上看，较大的姿态控制发动机从选型到安装都会遇到很多困难，而且控制精度和效率也不高。另外一种方法则是着陆发动机选用摇摆发动机。这种发动机具有伺服机构，能够在一定范围内改变推力的方向。通过调整着陆发动机推力的方向，使之过质心，就可以降低干扰力矩的产生。另一方面，由于着陆发动机推力很大，通过较小的推力偏转就能够形成较大的姿态控制力矩，从而大大提高姿态控制的效率，降低对姿控发动机的需求。但是应该看到，摇摆发动机为降低干扰力矩会形成推力偏角，与制导系统希望的推力方向出现偏差，产生横向干扰力，这就会对制导产生影响。因此，选择摇摆发动机作为着陆发动机时会出现姿轨耦合问题。
[0003]目前，只有美国的阿波罗和星座计划在月球着陆过程采用了摇摆发动机控制技术。在设计上，他们将制导和姿态控制分开进行考虑。姿态控制采用摇摆发动机偏转推力方向实现，而制导律则始终假定发动机的推力方向沿着陆器纵轴方向。这样，实际忽略了摇摆发动机推力偏转在垂直于纵轴方向上产生的扰动力。其后果是姿态控制产生的干扰力会对下降轨迹产生影响，这需要依靠制导回路去消除，会降低制导的执行效率；而且一旦制导律不具备三方向位置控制能力时，实际飞行轨迹和预定轨迹的偏差就会加大。
【发明内容】
[0004]本发明的技术解决问题:克服对现有的深空探测软着陆摇摆发动机控制技术会产生横向干扰力对制导造成不利影响的问题，提出了一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，该方法在线辨识出摇摆发动机为降低干扰力矩形成的稳定推力偏角，并用该角度补偿制导生成的目标推力方向，从而消除了摇摆发动机姿态控制对制导形成的干扰，有利于同时实现姿态和轨迹控制的目标。
[0005]本发明的技术解决方案:一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，包括步骤如下:
[0006]( I)建立三维XYZ坐标系，将X轴定义为着陆器三个惯量主轴的滚动轴、将Y轴定义为着陆器三个惯量主轴的俯仰轴、将Z轴定义为着陆器三个惯量主轴的偏航轴，变推力摇摆发动机设置于沿X轴方向，变推力摇摆发动机沿着陆器Y、Z轴摆动输出可变推力。[0007](2)根据着陆器制导系统输出的目标加速度方向和目标加速度变化率以及姿控系统输出的摇摆发动机摆角控制量，进行姿态指令规划生成着陆器的目标姿态和姿态角速度。
[0008](3 )在步骤(I)建立的三维XYZ坐标系下，将步骤(2 )生成的着陆器的目标姿态和姿态角速度与着陆器的导航系统提供的着陆器当前姿态和姿态角速度测量值进行比较，形成用于着陆器三轴姿态控制的滚动、俯仰和偏航通道的姿态和角速度误差。
[0009](4)在步骤(I)建立的三维XYZ坐标系下，根据着陆器的导航系统估计的着陆器质量，计算出着陆器的质心位置；再由着陆器制导系统输出的变推力摇摆发动机推力比例计算出变推力摇摆发动机目标推力大小指令，以及目标推力大小指令在俯仰和偏航方向能够产生的最大控制力矩；根据最大控制力矩和着陆器的控制器中存储的俯仰和偏航通道的自然频率和阻尼比这些闭环控制系统参数，实时调整着陆器的俯仰和偏航通道的PID控制参数包括控制器比例项系数、积分项系数和微分项系数。
[0010](5 )在步骤(I)建立的三维XYZ坐标系下，根据步骤(3 )计算的滚动通道姿态和姿态角速度误差用比例-积分-微分PID控制方法生成控制力矩指令，将控制力矩指令经脉宽调制PWM生成指令脉宽，将生成的指令脉宽发送给滚动通道姿控发动机输出，完成对滚动轴的姿态控制。
[0011](6)在步骤(I)建立的三维XYZ坐标系下，根据步骤(3)计算的俯仰和偏航通道姿态和姿态角速度误差，由步骤(4)生成的PID控制参数，形成摇摆发动机的摆角控制量，该摆角控制量发送给摇摆发动机，该摆角控制量也反馈给步骤(2)用于校正目标姿态。摇摆发动机根据该摆角控制量调整发动机摆角，同时根据步骤(4)生成的摇摆发动机目标推力大小指令输出发动机推力，形成对俯仰和偏航通道的姿态控制力矩，完成对俯仰和偏航轴的姿态控制。
[0012]所述步骤(2)中使用着陆器的姿控系统生成的摇摆发动机摆角控制量修正制导系统输出的目标加速度方向，消除了摇摆发动机姿控产生的推力方向改变对制导的影响。
[0013]所述步骤(4)中，根据着陆器制导系统输出的推力比例和着陆器的导航系统给出的质量估计，实时计算摇摆发动机产生的控制力矩，并对俯仰和偏航通道的PID控制参数进行在线动态调整。
[0014]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0015](I)本发明在步骤(3)中提出了一种在线估计摇摆发动机偏角，并补偿制导目标姿态计算的方法，降低了着陆过程姿控对制导的影响，有利于提高飞行轨迹与理想轨迹的一致性。
[0016](2)本发明在步骤(4)中使用了一种在线计算摇摆发动机姿控力矩大小，并动态调整PID控制器参数的方法，使得控制系统在着陆过程质量特性变化巨大的情况下仍具有稳定的控制特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明深空软着陆过程姿轨耦合控制方法结构框图；
[0018]图2为本发明摇摆发动机摆角偏转示意图；
[0019]图3为本发明深空软着陆过程不同方法下的飞行轨迹；[0020]图4为本发明控制方法的控制流程图。
【具体实施方式】
[0021] 本发明的基本思路为:根据变推力摇摆发动机通过发动机喷口摆动使得推力过着陆器质心，以降低干扰力矩实现姿态控制的特点，采用滤波技术对该摆角中的稳定分量进行估计，辨识出因质心偏移造成的推力方向偏离着陆器X轴的角度，并根据该偏角估值调整目标飞行姿态，使得变推力摇摆发动机最终输出的推力方向与制导律输出的目标推力方向一样，最大限度的满足姿态控制目标和制导目标的同时实现。
[0022]不失一般性，定义着陆器本体坐标系XYZ，三个坐标轴分别平行于着陆器三个惯量主轴方向，其中X轴定义为着陆器三个惯量主轴的滚动轴、Y轴定义为着陆器三个惯量主轴的俯仰轴、Z轴定义为着陆器三个惯量主轴的偏航轴。假设着陆器沿X轴安装有一台变推力摇摆发动机，着陆过程的制导、导航和控制系统框图如图1所示。
[0023]具体计算过程如图4所示如下:
[0024]1)导航解算
[0025]着陆过程的导航系统以惯性导航为主，辅助测距、测速或者图像测量。具体的导航算法不属于本发明的内容，这里假设它输出了着陆器的惯性姿态(用惯性姿态四元数qSENS
表示)、姿态角速度(用矢量表示，上标b表示该矢量表示在着陆器本体坐标系中)、惯
性位置(用相对天体中心的惯性位置矢量rSENS表示)和质量估计(用mp表示)。
[0026]2)制导解算
[0027]着陆过程不同阶段采用不同的制导方法，具体哪种制导算法不属于本发明的内容。但一般来说，它都会根据导航系统提供的位置、速度估计生成目标推力加速度方向矢量指令(用a_表示)、目标推力加速度方向的变化律指令(用,,表示)以及发动机输出推力比例指令，即输出推力与满推力的比值(用fT表示)。
[0028]3)姿态指令规划(对应步骤2)
[0029]a)根据制导给出的目标推力加速度方向计算目标姿态，用目标姿态四元数q_表示，使得着陆器滚动轴(X轴)与a_重合。方法如下:
[0030]计算着陆器X轴的目标指向Xcmd[0031]
【权利要求】
1.一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，其特征在于:包括步骤如下: (1)建立三维XYZ坐标系，将X轴定义为着陆器三个惯量主轴的滚动轴、将Y轴定义为着陆器三个惯量主轴的俯仰轴、将Z轴定义为着陆器三个惯量主轴的偏航轴，变推力摇摆发动机设置于沿X轴方向，变推力摇摆发动机沿着陆器Y、Z轴摆动输出可变推力。 (2)根据着陆器制导系统输出的目标加速度方向和目标加速度变化率以及姿控系统输出的摇摆发动机摆角控制量，进行姿态指令规划生成着陆器的目标姿态和姿态角速度。 (3)在步骤(I)建立的三维坐标系下，将步骤(2)生成的着陆器的目标姿态和姿态角速度与着陆器的导航系统提供的着陆器当前姿态和姿态角速度测量值进行比较，形成用于着陆器三轴姿态控制的滚动通道的姿态和角速度误差、俯仰通道的姿态和角速度误差及偏航通道的姿态和角速度误差。 (4)在步骤(I)建立的三维坐标系下，根据着陆器的导航系统估计的着陆器质量，计算出着陆器的质心位置；再由着陆器制导系统输出的变推力摇摆发动机推力比例计算出变推力摇摆发动机目标推力大小指令，以及目标推力大小指令在俯仰和偏航方向能够产生的最大控制力矩；根据最大控制力矩和着陆器的控制器中存储的俯仰和偏航通道的自然频率和阻尼比这些闭环控制系统参数，实时调整着陆器的俯仰和偏航通道的PID控制参数包括控制器比例项系数、积分项系数和微分项系数。 (5)在步骤(I)建立的三维坐标系下，根据步骤(3)计算的滚动通道姿态和姿态角速度误差用比例-积分-微分PID控制方法生成控制力矩指令，将控制力矩指令经脉宽调制PWM生成指令脉宽，将生成的指令脉宽发送给滚动通道姿控发动机输出，完成对滚动轴的姿态控制。 (6)在步骤(I)建立的三维坐标系下，根据步骤(3)计算的俯仰和偏航通道姿态和姿态角速度误差，由步骤(4)生成的PID控制参数，形成摇摆发动机的摆角控制量，该摆角控制量发送给摇摆发动机，该摆角控制量也反馈给步骤(2)用于校正目标姿态。摇摆发动机根据该摆角控制量调整发动机摆角，同时根据步骤(4)生成的摇摆发动机目标推力大小指令输出发动机推力，形成对俯仰和偏航通道的姿态控制力矩，完成对俯仰和偏航轴的姿态控制。
2.根据权利要求1所述的一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，其特征在于:所述步骤(2)中使用着陆器的姿控系统生成的摇摆发动机摆角控制量修正制导系统输出的目标加速度方向，消除了摇摆发动机姿控产生的推力方向改变对制导的影响。
3.根据权利要求1所述的一种深空探测软着陆过程的姿轨耦合控制方法，其特征在于:所述步骤(4)中，根据着陆器制导系统输出的推力比例和着陆器的导航系统给出的质量估计，实时计算摇摆发动机产生的控制力矩，并对俯仰和偏航通道的PID控制参数进行在线动态调整。
【文档编号】G05D1/08GK103955223SQ201410141703
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】李骥, 王大轶, 黄翔宇, 褚永辉, 唐强 申请人:北京控制工程研究所