[发明专利]一种基于正交配置优化的月球着陆器轨迹控制器

摘要

本发明公开了一种基于正交配置优化的月球着陆器轨迹控制器，该控制器由月球着陆器高度测量传感器、月球着陆器速度测量传感器、月球着陆器微控制单元(MCU)与反推进发动机控制器构成。月球着陆器MCU根据设定高度和速度参数自动执行内部正交配置优化算法，得到既能使月球着陆器到达指定着陆条件同时又能使着陆器反推进发动机消耗燃料最少的轨迹优化控制策略，月球着陆器MCU将获得的控制策略转换为反推进发动机的控制指令发送给控制器。本发明能够根据月球着陆器的着陆高度和速度状态快速地获取轨迹优化控制策略，保证月球着陆器达指定着陆条件同时使着陆器反推进发动机燃料消耗最少。

主权项

一种基于正交配置优化的月球着陆器轨迹控制器控制器，到达着陆下降过程下降段后，根据月球着陆器的着陆高度和速度状态快速获取轨迹优化控制策略，保证月球着陆器到达指定着陆条件的同时反推进发动机燃料消耗也最少。其特征在于：由月球着陆器高度测量传感器、月球着陆器速度测量传感器、月球着陆器微控制单元(MCU)与反推进发动机控制器构成，各组成部分均由月球着陆器内数据总线连接。所述控制器的运行过程包括：步骤1)：在月球着陆器MCU中输入对应于该月球着陆器的反推进发动机参数；步骤2)：到达着陆下降过程下降段后，月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器测和MCU开启，测量当前月球着陆器的着陆高度和下降速度；步骤3)：月球着陆器MCU根据设定着陆高度和速度参数自动执行内部正交配置算法，得到既能使月球着陆器到达指定着陆条件同时反推进发动机燃料消耗也最少的轨迹优化控制策略；步骤4)：月球着陆器MCU将获得的轨迹优化控制策略转换为反推进发动机的控制指令发送给反推进发动机控制器。所述的月球着陆器MCU部分，包括信息采集模块21、初始化模块22、常微分方程组(Ordinary Differential Equations，简称ODE)正交配置模块23、非线性规划(Non‑linear Programming，简称NLP)问题求解模块24、控制指令输出模块25。其中，信息采集模块包括测量当前月球着陆器着陆高度采集、月球着陆器下降速度采集、月球着陆器到达高度设定采集、月球着陆器到达速度采集、月球着陆器反推进发动机性能参数采集五个子模块；NLP求解模块包括寻优方向求解、寻优步长求解、寻优修正、NLP收敛性判断四个子模块。所述的月球着陆器MCU自动产生月球着陆器轨迹优化控制策略的正交配置优化算法运行步骤如下：步骤1)：到达着陆下降过程下降段后，月球着陆器高度测量传感器、速度测量传感器测和MCU开启，信息采集模块21获取月球着陆器的着陆高度和速度，同时采集设定的月球着陆器反推进发动机性能参数、月球着陆器设定的着陆到达高度和速度；步骤2)：初始化模块22开始运行，设置轨迹优化过程时间的离散段数、反推进发动机控制量的初始猜测值u(0)(t)，设定优化精度要求tol，将迭代次数k置零；步骤3)：通过ODE正交配置模块23将常微分方程组在时间轴[t0,tf]上全部离散；步骤4)：通过NLP问题求解模块24获得所需的轨迹优化控制策略和对应状态轨迹，这个过程包括多次内部迭代，每次迭代都要求解寻优方向和寻优步长，并进行寻优修正。对于某一次迭代得到的控制量u(k)(t)，如果其对应目标函数值J[u(k)(t)]与前一次迭代的目标函数值J[u(k‑1)(t)]之差小于精度要求tol，则判断收敛性满足，并将控制量u(k)(t)作为指令输出到控制策略输出模块25。所述的ODE正交配置模块，采用如下步骤实现：步骤1)：将反推进发动机控制量u(t)、状态轨迹x(t)用M阶基函数的线性组合表示，即：u(t)≈Σj=1Mui,jφi,j(M)(t),i=1,2,...,N]]>x(t)≈Σj=1Msi,jφi,j(M)(t),i=1,2,...,N]]>其中N是时间轴[t0,tf]的离散段数，φ(t)是拉格朗日插值基函数，线性组合系数ui,j和si,j分别是u(t)和x(t)在配置点ti,j上的值。步骤2)：由于所有基函数的导函数表达式已知，于是状态轨迹的微分方程组被离散化代数形式：x·(t)≈Σj=1Msi,jφ·i,j(M)(t),i=1,2,...,N]]>步骤3)：用离散化后的微分方程组代替原来微分方程组，将得到待求的NLP问题。所述的NLP求解模块，采用如下步骤实现：步骤1)：将反推进发动机控制量u(k‑1)(t)作为向量空间中的某个点，记作，P1对应的目标函数值就是J[u(k‑1)(t)]；步骤2)：从点P1出发，根据选用的NLP算法，构造向量空间中的一个寻优方向向d(k‑1)和步长α(k‑1)；步骤3)：通过式u(k)(t)＝u(k‑1)(t)+α(k‑1)d(k‑1)构造向量空间中对应u(k)的另外一个点P2，使得P2对应的目标函数值J[u(k)(t)]比J[u(k‑1)(t)]更优。步骤4)：采用寻优校正u(k)(t)，得到校正后的点记为点P3，同时令使得P3对应的目标函数值J[u(k)(t)]比J[u(k‑1)(t)]更优；步骤5)：如果本次迭代的目标函数值J[u(k)(t)]与上一次迭代的目标函数值J[u(k‑1)(t)]的绝对值之差小于精度tol，则判断收敛性满足，将本次迭代得到的控制策略u(k)(t)输出至控制策略输出模块25；如果收敛性不满足，迭代次数k增加1，将u(k)(t)设置为初始值，继续执行步骤2)。