[发明专利]小天体附着的面状探测器耦合约束轨迹规划方法

权利要求书

1.小天体附着的面状探测器耦合约束轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一、将面状探测器小天体附着轨迹规划问题建模为姿轨一体优化问题，选取探测器整体位置与姿态为状态量，各推力器推力幅值与方向为控制量，建立面状探测器附着动力学模型，并对附着过程中耦合约束条件进行统一描述，所述耦合约束条件包括探测器姿态约束、敏感器视场角约束以及推力器控制约束；

步骤二、针对面状探测器附着过程的平稳性需求，选取燃耗-平稳性指标作为优化目标，在优化目标函数中引入姿态角速度平方积分项，减小探测器附着过程中的姿态机动，结合步骤一确定的附着过程中耦合约束条件，得到面状探测器小天体附着优化问题，通过优化求解器求解所述面状探测器小天体附着优化问题，得到最优附着轨迹及各推力器控制序列；

步骤三、针对步骤二中求解器输出的最优附着轨迹与各推力器控制序列间存在匹配误差的问题，设计误差反馈项，对优化求解器输出的控制序列进行修正，实现最优附着轨迹与最优控制序列的精确匹配，使面状探测器按优化目标实现高精度附着。

2.如权利要求1所述的小天体附着的面状探测器耦合约束轨迹规划方法，其特征在于：步骤一实现方法为，

定义小天体着陆点坐标系o_L-x_Ly_Lz_L，以小天体表面选定着陆点o_L为坐标系原点，o_Lz_L轴指向着陆点处外法线方向，o_Lx_L轴指向着陆点处表面切线方向，且位于探测器初始位置与着陆点连线所在的纵向平面内，o_Lx_L轴、o_Ly_L轴与o_Lz_L轴构成右手坐标系；附着过程中，面状探测器的运动主要集中在x_Lo_Lz_L平面内，因此仅考虑该平面内的姿态及轨迹规划；

定义探测器状态变量X＝[x,z,v_x,v_z,θ_face,ω_face,m]^T，其中，[x,z]^T为着陆点系下的面状探测器质心位置矢量，[v_x,v_z]^T为探测器质心速度矢量，θ_face为探测器姿态角，ω_face为姿态角速度，m为探测器质量；考虑双推力节点的面状探测器，每个节点配置一对推力器，分别提供沿探测器平面正负法向的推力，且推力方向可在一定范围内调整；定义探测器控制变量U＝[u_1up,u_1down,u_2up,u_2down,θ_1up,θ_1down,θ_2up,θ_2down]^T，其中，u_iup/down为节点i上/下推力器的推力幅值(i＝1,2)，θ_iup/down为节点i上/下推力方向与探测器节点2到节点1连线的夹角；

探测器附着动力学方程为

其中，[a_gx,a_gz]^T为探测器所受小天体引力在着陆点系下的分量，[a_ωx,a_ωz]^T为小天体自旋引起的惯性力在着陆点系下的分量，L为探测器两推力节点间的距离，J_b为探测器转动惯量，I_sp为推力器比冲，g₀为地球表面重力加速度；

探测器初末状态约束描述为

其中，t₀为初始时刻，t_f为终端着陆时刻；[x₀,z₀]^T为探测器初始位置，m₀为探测器初始质量，m_dry为探测器干重，为保证附着平稳性，初始和终端时刻的面状探测器速度量与姿态量均为零；

探测器距小天体表面预定高度范围内，着陆点应始终位于探测器敏感器视场中，视场约束描述为

其中，α_sight为光学导航相机的视场角，h_min为视场约束高度边界，即探测器高度z≤h_min时应保证着陆点位于相机视场内；

推力器的推力幅值与方向约束描述为控制变量的幅值约束

其中，u_max为推力幅值约束上限值，θ_umax为节点推力矢量与探测器法向轴的夹角的上限值；

为保证面状探测器附着过程的平稳性，探测器姿态角与姿态角速度存在幅值约束

其中，θ_facemax为探测器姿态角约束上限值，ω_facemax为姿态角速度约束上限值。