申请/专利权人：北京理工大学

申请日：2022-04-20

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN115016512B

主分类号：G05D1/654

分类号：G05D1/654;G05D109/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2022.09.23#实质审查的生效;2022.09.06#公开

摘要：本发明公开的基于动态窗口算法的小天体表面附着轨迹规划方法，属于深空探测器自主规划技术领域。本发明实现方法如下：建立着陆坐标系下的探测器动力学方程，将探测器的运动特性在着陆坐标系上的三个方向进行分析。根据探测器的机动性能计算探测器在单位时间内的运动窗口，即探测器的速度矢量集合，对速度集中的每一个速度进行轨迹模拟。设定评价函数评价集合中每一轨迹的得分，包括目标位置距离得分、障碍物距离得分和速度方向得分，选择最优的轨迹并记录其加速度、速度和位置。重复迭代直至探测器到达目标着陆点。本发明具有规划效率高、精度高、灵活性高、适应性高、可靠性高的优点，能够提高着陆的实时性、精确性和安全性，节省探测器燃料。

主权项：1.基于动态窗口算法的小天体表面附着轨迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立着陆坐标系下的探测器动力学方程，将探测器的运动特性在着陆坐标系上的三个方向进行分析；步骤一实现方法为，探测器在着陆坐标系下的动力学方程为： 其中：r为探测器在着陆坐标系下的位置矢量；aF为探测器推力产生的加速度；g为小天体表面的引力加速度；ω为着陆点坐标系相对于小行星中心惯性坐标系的旋转角速度矢量；将探测器的运动在着陆点坐标系三个方向上分解，进而得到探测器的标量形式的动力学方程为： 其中：x,y,z为探测器在着陆坐标系下位置矢量的三轴分量，、、为探测器所受推力产生的加速度的三轴分量；步骤二：根据步骤一的分析结果和探测器的机动能力，在动态窗口内建立探测器的速度矢量集合，形成用于轨迹规划的窗口；步骤二实现方法为，计算速度窗口，产生单位时间内的加速度集；设探测器的速度矢量为v，探测器所允许的最大速度为vmax，加速度方向与着陆坐标系z轴之间的夹角为β，与x轴之间的夹角为θ；探测器所能产生的最大加速度为aFmax，在两方向上产生的最大角速度为ωβmax、ωθmax，向前模拟时间为Δt；则速度窗口为： 其中，下标t为当前轨迹时刻，t+1为模拟轨迹时刻；步骤三：根据步骤二形成的窗口，基于动态窗口算法对速度集中的每个元素进行轨迹预测；步骤三实现方法为，对步骤二中得到的速度集中的每一个速度进行轨迹预测；由于窗口时间很短，则每一段预测轨迹等效为向速度方向前进的线段，则窗口时间内探测器的位移为： 则探测器在模拟时间内的位置和速度方向为： 探测器由当前时刻运动到下一时刻的状态转移方程为：xt+1＝Axt+Bu6其中xt+1＝[xt+1yt+1zt+1βt+1θt+1vt+1ωβt+1ωθt+1]T为下一时刻的状态变量，xt＝[xtytztβtθtvtωβtωθt]T为当前时刻的状态变量，u＝[vt+1ωβt+1ωθt+1]为控制变量； 步骤四：根据任务需求和优化目标选取预设的评价函数，依据预设的评价函数评估步骤三中预测的轨迹，快速选择窗口内的最优轨迹，实现单个窗口内附着轨迹快速规划；步骤四实现方法为，评价函数由三部分构成，分别为目标位置距离得分、障碍物距离得分和速度方向得分，表达式如下：P＝k1Pdist+k2Pobs+k3Pheading7其中，ki为各得分的系数；Pdist为目标位置距离得分，数值为模拟轨迹终点与目标位置的距离，距离越小得分越低；Pobs为障碍物距离得分，数值为模拟轨迹距离障碍物的距离，距离越大得分越低；Pheading为速度航向得分，数值为减去模拟轨迹速度变化的角度，角度越大评分越低；最终评分最低的轨迹为最优轨迹；步骤五：通过调整窗口大小调节对应窗口内附着轨迹的规划效率和精度；通过动态调整预设的评价函数，提高探测器在不确定环境下轨迹规划的灵活性和适应性；步骤六：重复步骤三、四、五，直到最后一个速度窗口规划的最优轨迹到达目标附着点，得到探测器从初始位置到目标位置的完整附着轨迹，即实现探测器在小天体表面的附着轨迹动态精确规划，进而提高探测器着陆的实时性、精确性和安全性，且能够节省探测器燃料。

全文数据：

权利要求：

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