[发明专利]一种基于自适应控制节点的月球探测器软着陆最优控制系统

说明书

本发明公开了一种基于自适应控制节点的月球探测器软着陆最优控制系统，该系统由速度传感器、距离探测器、MCU、燃料消耗系统、软着陆状态显示构成。月球探测器准备软着陆时，速度传感器、距离探测器测量当前该探测器的下降速度、与月球表面之间的距离，并将测量数据传送给MCU，MCU立即执行自适应控制节点最优控制方法，计算出使月球探测器安全着陆并且最少消耗燃料的燃料消耗速率控制策略，将其转换为运行指令传送给燃料消耗系统，并实时显示当前软着陆状态。本发明能够保证月球探测器安全软着陆并且最大程度地减少燃料的消耗。

技术领域

本发明涉及月球软着陆控制领域，主要是一种基于自适应控制节点的月球探测器软着陆最优控制系统。在月球探测器将要着陆时，该系统能够计算出最优的软着陆策略，以保证探测器安全着陆并且最大程度地减少燃料的消耗。

背景技术

二十世纪五十年代末至今，美国、前苏联/俄罗斯、日本、欧洲航天局、中国和印度先后进行了月球探测，九十年代以来兴起了新一轮的热潮。其中，月球探测器软着陆是一种非常重要的技术手段。软着陆就是在落地之前通过一定的手段减小垂直速度，使之以一个可以接受的速度落地，以保护飞行器和航天员。由于月球上没有空气，类似于真空，用降落伞是不可能的，而气垫不好控制力度，目前的技术是靠月球探测器自身的反作用力实现软着陆。现今，国内外众多专家学者都对此展开了深入研究。

发明内容

为了使月球探测器安全着陆并且最大程度地减少燃料的消耗，本发明提供了一种基于自适应控制节点的月球探测器软着陆最优控制系统，该系统借助MCU作为最优控制方法的实现载体。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于自适应控制节点的月球探测器软着陆最优控制系统，能够计算出最优的软着陆策略，以保证探测器安全着陆并且最大程度地减少燃料的消耗。其特征在于：由速度传感器、距离探测器、MCU、燃料消耗系统、软着陆状态显示构成。所述系统的运行过程包括：

步骤A1：月球探测器准备软着陆时开启速度传感器以及距离探测器，用于实时测量当前该探测器的下降速度以及与月球表面之间的距离，并将测量数据传送给MCU；

步骤A2：MCU执行内部的自适应控制节点最优控制方法，计算出使月球探测器安全着陆并且最少消耗燃料的燃料消耗速率控制策略；

步骤A3：MCU将得到的燃料消耗速率控制策略转换为燃料消耗系统运行指令，传送给燃料消耗系统，并实时显示当前软着陆状态。

所述的MCU，包括信息采集模块、初始化模块、结束时间处理模块、控制向量参数化模块、非线性规划(Nonlinear Programming，NLP)问题求解模块、终止条件判断模块、自适应控制节点分配模块、控制指令输出模块。

月球探测器的软着陆过程可以描述为：

其中t表示时间，t₀表示软着陆过程开始时间，t_f表示软着陆过程结束时间，且t_f不固定；被称为状态变量，表示月球探测器的速度、加速度、质量、与月球表面之间的距离等物理参数，x₀是其初始值，是其一阶导数；u(t)表示月球探测器的燃料消耗速率，u_l、u_u分别为其下限值和上限值；是根据能量守恒以及力学原理建立的微分方程组；是对月球探测器软着陆结束时刻的物理参数建立的约束条件。n_x,n_g分别是状态变量和约束的数量。

假设以Φ[x(t_f)]表示燃料的总消耗量，则使燃料消耗最少的数学模型可表示为：

其中J[u(t)]表示控制目标，由燃料消耗速率u(t)决定。该问题本质上是一个最优控制问题。