(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210853566.3 (22)申请日 2022.07.11 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 梁子璇　鲁冰洁　崔平远　朱圣英　 徐瑞　 (74)专利代理 机构 北京正阳理工知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11639 专利代理师 邬晓楠 (51)Int.Cl. B64G 1/10(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 柔性探测器多约束附着可控锥生成方法 (57)摘要 本发明公开的一种柔性探测器多约束附着 的可控锥生成方法， 属于深空探测技术领域。 本 发明实现方法为： 通过对柔性探测器附着动力学 与约束建模， 将附着可控锥边界求解问题建模为 多约束附着 轨迹极限初始位置优化问题； 通过优 化求解固定高度各水平方向的极限初始位置， 得 到固定高度水平可控位置边界； 通过设定高度序 列并求解各高度对应的水平可控位置边界， 依高 度顺序连接各水平边界生成三维空间的柔性探 测器附着可控锥。 从可控锥中的任意位置出发， 柔性探测器能够在考虑柔性指向误差的容许控 制下， 到达小天体表面预定的着陆点， 且附着过 程中约束始终得到满足。 本发明能够支撑附着可 行初始位置选取， 使柔性探测器能够在小天体表 面预定着陆点附着。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115230991 A 2022.10.25 CN 115230991 A 1.柔性探测器多约束附着可控锥生成方法， 其特 征在于： 包括如下步骤， 步骤一、 在着陆点坐标系下， 建立柔性探测器附着动力学模型， 以及附着过程中柔性探 测器所受敏感器视场约束和推力幅值及方向约束模型； 结合柔性探测器特性， 建立考虑柔 性形变的视场角和推力方向约束模型， 并设计加速 ‑减速两段式附着的推力控制策略， 利用 所述推力控制策略得到质心控制力方向的二阶锥约束； 步骤二、 将柔性探测器附着可控锥边界求解问题， 建模为多约束下柔性探测器附着轨 迹极限初始位置优化问题； 选取固定高度上不同水平方向的初始位置为优化指标， 基于优 化方法求 解不同方向的最大 水平初始 距离， 得到该高度上的可控位置边界； 步骤三、 选取着陆点正上方的最大初始高度为优化指标， 求解最大可行初始高度； 根据 所求最大初始高度和保证柔 性探测器安全附着的最小初始高度， 设定高度 序列； 步骤四、 基于步骤二所述固定高度可控位置边界求解方法， 求解步骤三所设高度序列 各高度上对应的可控位置边界， 依高度序列连接不同高度对应的可控位置边界， 得到多约 束下小天体柔性探测器附着的三维可控锥； 从可控锥内任意点出发， 柔性探测器能够在考 虑柔性指向误差的容许控制下， 到达小天体表面预定的着陆点， 且附着过程中敏感器观测 视场约束始终得到满足。 2.如权利要求1所述的柔性探测器多约束附着可控锥生成方法， 其特征在于： 步骤一的 具体实现方法为， 定义着陆点坐标系oL‑xLyLzL， 以预定着陆点oL为原点， 小天体质心与着陆点连线方向为 zL轴， 小天体表面东向为xL轴， 表面北向为yL轴； 为保证柔性探测器附着平稳性， 附着过程 中， 柔性探测器的标称姿态水平， 即平行于着陆点系的xLoLyL平面； 敏感器光轴和推力器法 向轴的标称指向均垂直探测器平面， 即平行于着陆点系的oLzL轴； 着陆点系下， 柔 性探测器的附着动力学模型为 其中， r＝[x,y,z]T为探测器质心位置， v＝[vx,vy,vz]T为探测器质心速度， m为探测器质 量， ag＝[agx,agy,agz]T为探测器所受小天体引 力， aω＝[aωx,aωy,aωz]T为探测器因小天体自 旋而受的惯性力， u＝[ux,uy,uz]T为探测器所受控制力， Isp为探测器推力器比冲， g0为地球 表面引力加速度； 柔性探测器的敏感器安装在柔 性探测器 腹部， 敏感器的视场角约束为 其中， rs为敏感器在着陆点系下的位置， es为敏感器光轴指向的单位向量(向上为正方 向)， θsight为敏感器的视场角； 由于柔性探测器尺寸远小于其附着距离， 忽略柔性探测器质 心与敏感器的位置 差， 即rs＝r； 柔性探测器的推力 器安装在柔性探测器的腹部和背部， 推力 器推力方向能够在其法向 轴附近预定范围内调整； 探测器背部的推力器主 要提供向下的推力， 其推力方向约束为 udown·edown≥||udown||cosθmax    (3)权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115230991 A 2其中， udown为背部推力器的推力， edown为背部推力器法向轴指向的单位向量(向下为正 方向)， θmax为推力器 推力方向与其法向轴的最大夹角； 探测器腹部的推力器主 要提供向上的推力， 其推力方向约束为 uup·eup≥||uup||cosθmax        (4) 其中， uup为腹部推力器的推力， eup为腹部推力器法向轴指向的单位向量(向上为正方 向)； 对于背部和腹部的推力器， 有推力幅值约束 其中， umax为单个推力器的推力幅值上限； 无柔性形变的标称状态下， es、 eup和edown平行于着陆点系oLzL轴， 柔性变形导致敏感器 和推力器的指向偏离其标称状态的角度不超过δmax； 考虑柔性变形的影响， 视场角约束为 由柔性探测器的推力器配置及推力方向约束， 推力器推力在垂直探测器平面方向上有 较大分量， 为避免正负法向推力对消造成燃耗浪费， 规定柔性探测器背部和腹部的推力器 不同时开机； 柔性探测器背部推力器开机时， 探测器质心控制力向下， 方向约束为 柔性探测器 腹部推力器开机时， 探测器质心控制力向上， 方向约束为 设计柔性探测器加速 ‑减速两段式附着策略： 加速段， 背部推力器开机， 柔性探测器从 悬停位置出发加速下降； 减速段， 腹部推力器开机， 探测 器下降速度逐渐减小， 在着陆点处 实现末端速度为 零的软着陆； 由此， 质心控制力方向约束为如公式(9)所示的二阶锥约束 其中， t为时间， t0为附着初始时刻， t1为加速段与减速段的分界时刻， tf为附着终端时 刻。 3.如权利要求2所述的柔性探测器多约束附着可控锥生成方法， 其特征在于： 步骤二的 具体实现方法为， 柔性附着可控锥为柔性附着轨迹可行初始位置的包络， 可控锥边界求解问题建模为柔 性附着轨 迹极限初始位置优化问题； 在固定高度z＝z0上， 与oLxL轴夹角为 的水平方向的极 限初始位置优化问题建模为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115230991 A 3