[发明专利]小天体协同附着鲁棒避障控制方法

权利要求书

1.小天体协同附着鲁棒避障控制方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、考虑多探测器状态不确定性，结合协同探测一致性算法，采用全对称多胞形对主探测器与跟随探测器的可达集边界进行快速估计，构建协同探测碰撞预测模型，量化评估系统受到的碰撞威胁，保证在线估计效率的同时提高估计结果的鲁棒性；

步骤二、根据步骤一中得到的协同探测碰撞预测模型，设置障碍规避有效区间，设计安全协同目标状态，形成障碍规避性能指标，实现下降过程中障碍规避指标权重的自主调整；

在协同探测碰撞预测模型基础上，为了避免多探测器系统与小天体表面障碍发生碰撞，设计安全协同目标状态，当探测器距离小天体表面较近时，驱动多探测器系统自主向安全协同目标状态转移，提高附着安全性；

步骤三、结合步骤二形成的障碍规避性能指标，在线求解主探测器的混合动态指标模型预测控制问题，得到协同附着鲁棒障碍规避控制律，实现状态不确定下协同附着探测障碍规避，提高任务在状态不确定条件下的安全性与可靠性。

2.如权利要求1所述的小天体协同附着鲁棒避障控制方法，其特征在于：步骤一实现方法为，

探测器动力学方程为

x_k+1＝f(x_k,u_k,w_k)＝g(x_k,u_k)+G(x_k,u_k)w_k (1)

其中探测器k时刻状态由位置r_k与速度v_k构成，为控制量，为有界环境扰动；多探测器系统在下降过程中采用主-从结构，主探测器A的控制量u_A在线求解，跟随探测器B₁,B₂,...B_L在下降过程中与主探测器保持固定构型，速度一致；记跟随探测器B_i相对主探测器A的理想构型为r_i^d，则理想情况下跟随探测器B_i的位置为速度为其中r_A,v_A分别为主探测器A的位置与速度；根据一致性算法，跟随探测器B_i的控制律由下式给出

其中γ_i1,γ_i2为正常数，r_Bi,v_Bi分别为跟随探测器B_i的真实位置与速度；根据导航系统状态估计结果，k时刻主探测器A的状态为跟随探测器B_i的状态为

为了构建协同探测碰撞预测模型，首先对主探测器A的可达集边界进行估计；采用全对称多胞形对主探测器状态不确定性X_A进行描述

其中为主探测器状态估计均值，H_A为状态估计误差区间矩阵，B^m为m个单位区间构成的方格，z为B^m中任意向量，两集合间的闵可夫斯基和定义为

主探测器A受到的有界环境扰动W_A表达为

其中c_wA为环境扰动均值，C_wA为环境扰动区间矩阵，为m_w个单位区间构成的方格；对于任意全对称多胞形集合其中p为n维实数向量，M为实数区间矩阵，B^m为m个单位区间构成的方格，定义其外包络为

其中mid(M)为区间矩阵中心，对角矩阵G的对角元素为

diam(M_ij)为区间长度，则有由此结合探测器动力学方程(1)，得到主探测器在当前状态不确定X_A与有界环境扰动W_A下的可达集边界函数

式中实数向量q_A与区间矩阵S_A由下式确定

q_A＝g(p_A,u_A)+G(p_A,u_A)c_wA (9)

S_A＝G(p_A,u_A)C_wA (10)

区间矩阵由区间算法计算得到；

根据式(2)与探测器间构型约束对跟随探测器B_i的状态进行估计；同样采用全对称多胞形对跟随探测器状态不确定性X_Bi与受到的有界环境扰动W_Bi进行描述；对于状态估计误差集合中任意元素与主探测器可达集边界函数中任意元素跟随探测器控制律由下式决定

跟随探测器B_i可达集边界函数为

式中实数向量q_Bi、区间矩阵S_Bi与M_Bi确定方式与主探测器相同；

结合主探测器可达集边界函数ψ_A(X_A,u_A,W_A)与跟随探测器可达集边界函数ψ_B1(X_B1,u_B1,W_B1),ψ_B2(X_B2,u_B2,W_B2),...,ψ_BL(X_BL,u_BL,W_BL)，构建协同探测碰撞预测模型；考虑到小天体表面连续密集分布着障碍，采用多面体模型对小天体复杂地形进行近似，每个近似平面记为

其中为拟合参数；多探测器系统与近似平面间的最小距离即一步预测下的剩余安全距离为

其中Ψ_r为集合Ψ＝ψ_A∪ψ_B1∪ψ_B2∪...ψ_BL在位置空间的投影，r＝[x,y,z]^T为集合Ψ_r中任意元素，为距离多探测器系统最近的近似平面，对应的规避方向即为该近似平面的法线方向

根据式(14)-(15)得到的协同探测碰撞预测模型，从剩余安全距离d_r与规避方向η两方面对多探测器系统受到的环境碰撞威胁实现量化评估，且能够保证在线估计效率的同时提高估计结果的鲁棒性。