申请/专利权人：哈尔滨理工大学

申请日：2020-10-09

公开（公告）日：2023-10-20

公开（公告）号：CN112141369B

主分类号：B64G1/64

分类号：B64G1/64

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.10.20#授权;2021.01.15#实质审查的生效;2020.12.29#公开

摘要：一种航天器平移靠拢段自主交会对接的决策与控制方法，属于交会对接领域。包括步骤：建立面向优先注意维度决策的场景分类矩阵，研究平移靠拢段手控交会对接的人‑机‑环境耦合交互量化模型；解析航天员、航天器、环境及动态联合扰动之间的关系，建立不同交会对接场景下的行为决策指令规则集；基于深度神经网络和半物理仿真实验，建立自主追踪航天器驾驶员先验模型；基于深度强化学习和全物理仿真实验，建立追踪航天器自主行为决策模型；研究包含顶层决策和底层控制的仿生式分层控制架构，实现追踪航天器自主行为决策与控制。本发明通过引入类脑思维思想，解决航天器平移靠拢阶段的自主交会对接方式缺少人工控制的灵活性和智能性问题。

主权项：1.一种航天器平移靠拢段自主交会对接的决策与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）建立面向优先注意维度决策的场景分类矩阵，研究平移靠拢段手控交会对接的人-机-环境耦合交互量化模型；建立人-机-环境耦合交互量化模型的方法为：a.获取影响手控交会对接中航天员操控行为的航天员因素：视野范围，航天器因素：执行器性能，环境因素：对接状态信息，提取可观测性尺寸、最大控制冲量、状态特征的关键参数；b.确定人、机和环境各自的动态扰动：反应时间、操作频率，：航天器的软硬件故障、工作能耗，：相对运动参数变化，利用数学函数描述它们的耦合作用关系，确定三个因素之间的耦合扰动项集合，并确定偏差消除操控行为；c.采用多变量非线性回归方法建立人-机-环境耦合交互量化模型: ；（2）解析航天员、航天器、环境及动态联合扰动之间的关系，建立不同交会对接场景下的行为决策指令规则集；建立行为决策指令规则集的方法为：构建统一的信息描述及处理方法，引入多物理约束条件包括安全控制区域和动力学约束，根据选择的操作顺序分别确定执行偏差消除控制的时间及输出量，建立不同交会对接场景下的行为决策指令规则集，为驾驶员先验模型的建立提供决策基础；（3）基于深度神经网络方法建立能够提取航天员行为动作特性的深度学习模型，研究驾驶员先验模型的离线训练方法，建立自主追踪航天器驾驶员先验模型；建立自主追踪航天器驾驶员先验模型的方法为：a.根据之前对平移靠拢段手控交会对接人-机-环境耦合交互机理的研究结果，将航天员手控交会对接时的闭环操控流程定义为受自身、航天器和环境三方面因素综合影响的非线性动态系统，由此确定深度学习模型中输入层的输入值向量和输出层的神经元个数；b.采用深度神经网络反向传播算法建立深度学习模型，确定总层数、各隐藏层神经元个数，并选用交叉熵损失函数和Sigmoid激活函数的组合提高算法收敛速度，提取能表征航天员感知、决策、操控的关键参数，包括姿态和平移感知阈值、用于决定加速或减速程度的安全范围阈值、单位偏移控制输出量；c.利用驾驶模拟平台能提供逼真仿真环境和操作人员在环功能的特性，针对不同场景下的平移靠拢段手控交会对接任务开展半物理仿真实验，通过训练操作人员面向追踪航天器仿真模型的实际操控过程采集大量样本数据；d.利用行为决策指令规则集和样本数据对模型进行离线训练，解决由于训练样本不足导致模型陷入局部极值点的问题，量化出能够精确逼近航天员行为动作的自主追踪航天器驾驶员先验模型；（4）基于深度强化学习的训练方式，建立追踪航天器自主行为决策的泛化机制，通过交会对接全物理仿真实验更新迭代自主行为决策模型参数，建立追踪航天器自主行为决策模型；建立追踪航天器自主行为决策模型的方法为：a.在驾驶员先验模型的基础上，考虑到驾驶员先验模型在环的非线性动态系统具有连续的状态及动作空间，采用基于Actor-Critic结构的深度确定性策略梯度算法建立追踪航天器自主行为决策模型的推理机制；b.针对非线性动态系统建立行为环境马尔可夫决策模型，基于驾驶员先验模型的研究结果确定模型的状态空间和动作空间，制定奖励函数，以累积航天器接收的环境奖赏反馈最大为原则形成评价机制；c.开展多任务即不同交会对接状态下的任务，多约束包括安全控制区域约束、接近走廊和分离走廊约束和动力学约束的自主交会对接模拟实验，对自主行为决策模型进行更新迭代；d.将自主行为决策程序迁移到交会对接全物理仿真系统中的追踪模拟器，通过开展相关实验利用实验结果对自主行为决策模型参数进一步更新迭代；（5）研究包含顶层决策和底层控制的仿生式分层控制架构，实现追踪航天器自主行为决策与控制；仿生式分层控制架构为：a.将有限时间控制器植入自主行为决策框架，分别用于顶层决策和底层控制，采用手动操作模式作为备份解决自主航天器无法处理的交会对接操控问题，通过建立两者之间切换条件的数学表达，构建两种控制模式之间切换的触发条件及触发规则；b.在分层控制架构中，规划层选择优先注意维度生成操作顺序，本能层根据操作顺序针对每一个维度确定执行偏差消除控制的时间以及输出量进而生成航天器运动轨迹，有限时间控制层控制航天器对生成的位姿轨迹进行跟踪；c.当出现安全裕度过低或自主交会对接无法进行的情况时，感受器的反馈信息将触发慎思层的反射触发规则模块，该模块立即通知规划层终止当前运动，由航天员手动操作完成交会对接。

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