[发明专利]一种小天体软着陆避障的能量优化方法

权利要求书

1.一种小天体软着陆避障的能量优化方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：确定小天体软着陆能量最优制导律；

在小天体惯性坐标系下，着陆器的动力学模型为

其中，r＝[x,y,z]^T和v＝[v_x,v_y,v_z]^T分别为位置和速度矢量；ω为小天体自转角速度；a＝[T_x,T_y,T_z]^T分别为着陆器控制力加速度在惯性系下的三轴分量；分别小天体引力加速度的矢量表达；为表述方便，式(1)简记为

由于着陆器动力学模型式(2)是建立在小天体惯性坐标系下，将初始时刻t₀时，着陆点位置坐标为r_f(t₀)，则在着陆时刻t_f时，着陆点位置坐标为r_f(t_f)为

着陆时要求着陆器相对于小天体的末端速度v(t_f)为零，则末端速度v(t_f)在小天体惯性系下为

v(t_f)＝ω×rf(t_f) (4)

小天体软着陆能量最优的性能指标为

其中，Γ为时间参数；则哈密顿函数为

欧拉-拉格朗日条件为

控制方程为

定义t_go＝t_f-t为飞行剩余时间，则

则由式(8)得，控制力加速度a

a＝-t_gop_r(t_f)-p_v(t_f) (10)

状态表示为

因此，

带入式(10)得

由式(13)知，当求解出t_go后，得到控制力加速度a，从而得到能量最优制导律；为此，将式(8)带入式(6)有

将式(12)带入式(14)有

因此，t_go为方程(16)的实正根；

由式(16)求解出t_go并带入式(13)得到小天体软着陆能量最优制导律；

步骤二：根据导航信息判断是否需要进行避障；

导航系统实时获得小天体地形信息，将地形曲面记作

geo(x,y,z)＝0 (17)

在着陆器着陆过程中，将着陆轨迹(x(t),y(t),z(t))带入式(17)左边，若存在t＜t_f，使得geo(x(t),y(t),z(t))≤0时，着陆器将与小天体发生碰撞，制导方法转入步骤三；若t＜t_f，始终有geo(x(t),y(t),z(t))＞0，则将不发生碰撞，制导方法返回步骤一；

步骤三：设计避障制导律，根据避障制导律在线求解得到满足避障要求的时间参数Γ，从而保证着陆器有效规避障碍，节省能量消耗，为小天体软着陆保障足够的能量裕度。

2.如权利要求1所述的一种小天体软着陆避障的能量优化方法，其特征在于：步骤三中所述的根据避障制导律在线求解时间参数Γ选如下方法实现，

步骤3.1：对着陆器的着陆轨迹进行在线单步预测；

当时间参数Γ为某一定值时，由式(13)，得到k时刻的加速度a_k，并将k时刻的速度v_k和加速度a_k带入着陆器动力学模型式(2)并进行数值积分得(k+1)时刻的位置r_(k+1)和速度v_(k+1)，并将其带入式(16)对t_go的数值进行更新，带入式(13)获得(k+1)时刻的加速度a_(k+1)；从而获得(k+1)时刻的位置r_(k+1)、速度v_(k+1)和加速度a_(k+1)，完成对着陆器着陆轨迹的在线单步预测；

步骤3.2：重复步骤3.1所述的在线单步预测方法在线预测着陆器的着陆轨迹，将时间参数Γ视为碰撞方程式(18)的自变量，并由式(18)得到满足避障要求的时间参数Γ，从而保证着陆器有效规避障碍；

f(Γ)＝geo(x,y,z；Γ)＝0 (18)。