針對(duì)登月飛行器著陸粗避障和精避障階段的策略控制問題,本文基于軟著陸動(dòng)力學(xué)思想,通過計(jì)算機(jī)仿真及模擬退火算法求解了避障段的最優(yōu)燃料消耗控制策略.以嫦娥三號(hào)登月為算例,粗避障時(shí),首先將距月面2400 m數(shù)字高程圖劃分為100 m×100 m的子區(qū)域塊,并將標(biāo)準(zhǔn)化后的最高海拔、最低海拔、最小坡度角作為指標(biāo),評(píng)價(jià)各子區(qū)域著陸安全度,進(jìn)而利用柯西隸屬函數(shù)對(duì)各安全度定量評(píng)價(jià),繪出安全度灰度圖;然后將考慮燃料消耗作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)建立非線性規(guī)劃模型,采用模擬退火算法尋找最佳的落月位置,并仿真繪出該階段的下落軌跡,求得嫦娥三號(hào)粗避障用時(shí)25.7 s,耗油63.86 kg.在粗避障操作基礎(chǔ)上,通過各發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖組合調(diào)整使嫦娥三號(hào)水平飛行至最佳落月地點(diǎn)上方,可實(shí)現(xiàn)精避障段的最優(yōu)控制策略.
【部分圖文】：

T為第n次退火后的溫度.并用選定的終止溫度30E10=以判斷退火過程是否結(jié)束,即當(dāng)T<E時(shí),算法結(jié)束并輸出當(dāng)前最優(yōu)100m×100m著陸安全子區(qū)域和嫦娥三號(hào)在粗避障段所消耗的最少燃料f.1.2模型求解與結(jié)論(ⅰ)綜合評(píng)價(jià)地面安全程度.基于距月球2400m處的數(shù)字高程圖,可按照模型對(duì)任一100m×100m子區(qū)域Ω進(jìn)行評(píng)價(jià).為初步得到評(píng)價(jià)結(jié)果,首先將數(shù)字高值圖初步分為23×23的子區(qū)域方陣,根據(jù)D的定義表達(dá)式,計(jì)算得到每一個(gè)子區(qū)域的安全程度,并通過灰度圖像進(jìn)行直觀展示.距月球2400m觀測(cè)所得地形的等高線圖和安全程度灰度圖如圖1和2所示.圖1為嫦娥三號(hào)在距月球表面2400m所拍攝的地形圖對(duì)應(yīng)的等高線圖.圖2中,白色方框所圍部分表示著陸安全度D大于等于0.62的子區(qū)域,其中D的計(jì)算表達(dá)式采用中優(yōu)化后的結(jié)果,即將三個(gè)指標(biāo)權(quán)重分別調(diào)整至0.73,0.93和0.65.(ⅱ)模擬退火尋求最佳著陸位置.由于將數(shù)字高值圖初步分為23×23的子區(qū)域方陣并不精確,應(yīng)考慮數(shù)字高值圖中所有可能的100m×100m子區(qū)域,則滿足著陸安全度D大于等于0.62的子區(qū)域數(shù)目將更為龐大.為在眾多安全著陸子區(qū)域求得最佳選擇,以使得燃料消耗最優(yōu),采用模擬退火法進(jìn)一步求解著陸位置.為觀察模擬退火算法對(duì)尋找最佳著陸子區(qū)域的可行性,在求解初始時(shí)刻嫦娥三號(hào)在2300m×2300m圖1粗避障階段地形等高線圖Figure1Contourofthecoarseobstacleavoidance圖2粗避障階段安全程度灰度圖Figure2Safetygreyscaleimageofthecoarseobstacleavoidance

窠崾?即當(dāng)T<E時(shí),算法結(jié)束并輸出當(dāng)前最優(yōu)100m×100m著陸安全子區(qū)域和嫦娥三號(hào)在粗避障段所消耗的最少燃料f.1.2模型求解與結(jié)論(ⅰ)綜合評(píng)價(jià)地面安全程度.基于距月球2400m處的數(shù)字高程圖,可按照模型對(duì)任一100m×100m子區(qū)域Ω進(jìn)行評(píng)價(jià).為初步得到評(píng)價(jià)結(jié)果,首先將數(shù)字高值圖初步分為23×23的子區(qū)域方陣,根據(jù)D的定義表達(dá)式,計(jì)算得到每一個(gè)子區(qū)域的安全程度,并通過灰度圖像進(jìn)行直觀展示.距月球2400m觀測(cè)所得地形的等高線圖和安全程度灰度圖如圖1和2所示.圖1為嫦娥三號(hào)在距月球表面2400m所拍攝的地形圖對(duì)應(yīng)的等高線圖.圖2中,白色方框所圍部分表示著陸安全度D大于等于0.62的子區(qū)域,其中D的計(jì)算表達(dá)式采用中優(yōu)化后的結(jié)果,即將三個(gè)指標(biāo)權(quán)重分別調(diào)整至0.73,0.93和0.65.(ⅱ)模擬退火尋求最佳著陸位置.由于將數(shù)字高值圖初步分為23×23的子區(qū)域方陣并不精確,應(yīng)考慮數(shù)字高值圖中所有可能的100m×100m子區(qū)域,則滿足著陸安全度D大于等于0.62的子區(qū)域數(shù)目將更為龐大.為在眾多安全著陸子區(qū)域求得最佳選擇,以使得燃料消耗最優(yōu),采用模擬退火法進(jìn)一步求解著陸位置.為觀察模擬退火算法對(duì)尋找最佳著陸子區(qū)域的可行性,在求解初始時(shí)刻嫦娥三號(hào)在2300m×2300m圖1粗避障階段地形等高線圖Figure1Contourofthecoarseobstacleavoidance圖2粗避障階段安全程度灰度圖Figure2Safetygreyscaleimageofthecoarseobstacleavoidance

1491論文區(qū)域的中心位置后,考慮初始位置在其他點(diǎn)時(shí)的退火結(jié)果.相關(guān)結(jié)果如表1所示,其中“著陸子區(qū)域坐標(biāo)”表示100m×100m著陸子區(qū)域中心的坐標(biāo)位置.得到不同初始位置所對(duì)應(yīng)的100m×100m著陸子區(qū)域位置和耗油量后,通過計(jì)算及仿真的方法直觀描繪出嫦娥三號(hào)在粗避障段下降軌跡,如圖3所示.圖3中水平分辨率為1m/像素,高度數(shù)值單位為1m,圓圈表示嫦娥三號(hào)的末位置,方框表示其中間過程位置,白色叉號(hào)表示嫦娥三號(hào)在精避障后的垂直投影位置.當(dāng)嫦娥三號(hào)以57m/s的速度進(jìn)入粗避障段且初始位置為(1100,1100,2493)時(shí),其最佳100m×100m著陸子區(qū)域的中心坐標(biāo)位置為(1101,1101,193),其中坐標(biāo)單位為m.通過對(duì)加速下落時(shí)間1t、勻速下落時(shí)間2t和加速下落時(shí)間3t求和,可得到粗避障段總耗時(shí)25.7s.由表1可知,最優(yōu)消耗燃料63.86kg.2精避障段的最優(yōu)控制策略為使嫦娥三號(hào)降至月球表面時(shí)可以精確地避開較小的隕石坑,并合理調(diào)動(dòng)各姿態(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)以減少能源消耗,需要探求飛嫦娥三號(hào)在精避障段的最優(yōu)控制策略.求解嫦娥三號(hào)在精避障段的控制策略表1模擬退火算法結(jié)果Table1Resultsofthesimulatedannealing初始位置坐標(biāo)(m)模擬退火次數(shù)著陸區(qū)域坐標(biāo)(m)區(qū)域安全程度耗油量(kg)(1100,1100,2493)69044(1101,1101,193)0.6963.86(1,1500,2500)67305(236,2106,192)0.6377.60(1500,500,2495)69765(1603,500,205)0.6381.91圖3粗避障段下落仿真圖(單位m)Figure3Landingsimulationofthecoarseobstacleavoidance(Unit:m)方式與“粗避障段的最優(yōu)控制策略”求解相似.基于距月球100m處的數(shù)字高程圖,嫦娥三號(hào)需要在月球表面精確尋求安全著陸子區(qū)域,考慮到嫦娥三號(hào)的大小參數(shù)和著陸后月球車的行駛空間大小,將嫦娥三號(hào)精確尋得的安全著陸?

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