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嫦娥三號軟著陸軌道設計與控制策略畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-10-03 16:30 本頁面
 

【文章內容簡介】 ????????????????? ( 13) 根據(jù)動力下降段的起點位置可以 確定動力學方程初值條件,由于起點處于霍曼轉移軌道(橢圓軌道)的近地點,故其初始條件為: )2(1000000ABBAAARRRRRvRr???????? (14) 終端條件為實現(xiàn)軟著陸,即 著陸器 x y ???F 月球 O r圖 523 月球軟著陸極坐標系 10 00???fffvRr? ( 15) 其中終端條件中對終端極角 f? 及終端時間 tf 無約束。我們取優(yōu)化變量為制動發(fā)動機推力方向角 )(t? 。優(yōu)化的 性能指標為在滿足上述初始條件和終端條件的前提下,使得著陸過程中消耗燃料最少,即 ? ??? ftt dttmJ 0 )( ( 16) 模型三的求解過程及分析 對此類蟻群算法的求解較為復雜,首先介紹以下求解的理論知識: 本文也采用直接法進行軌跡優(yōu)化,由于優(yōu)化變量 )(t? 的搜索空間是一個泛函空間,無法直接應用優(yōu)化算法,因此首先要將這個 軌跡優(yōu)化問題轉化參數(shù)優(yōu)化問題。采用函數(shù)逼近法進行參數(shù)化。在這里設主發(fā)動機的推力方向角 )(t? 可以表示成一個多項式的形式,即: )(t? = 2210 tt ??? ?? ( 17) 這些軌跡優(yōu)化問題就轉化為對多項式系數(shù) 210 , ??? 三個參數(shù)的優(yōu)化,但這三個參數(shù)沒有明確的物理意義,確定初值及搜索空間比較困難,為此本文對函數(shù)逼近法作進一步改進。首先將月球 軟著陸軌跡離散化,由題中劃分成 6 個小段,每段的節(jié)點設定一個推力方向角,那么可以將 7 個節(jié)點的推力方向角和終端時刻 tf作為待優(yōu)化的參數(shù)。每個節(jié)點的時刻可以由下式得到: ti=t0+i( tft0) /n, ( i=0,1, 6) ( 18) 這樣,就使得每個節(jié)點的推力方向角都有一個對應的節(jié)點時刻。那么利用者 7 個節(jié)點的推力方向角及對應時刻對式( 17)進行擬合,可以求得多項式的系數(shù) i? ( i=0,1,2),進而得到整個著陸軌跡的推力方向角曲線 )(t? 。 用于多元連續(xù)函數(shù)的 DACA 算法與一元函數(shù)類似。設有 8 個優(yōu)化參數(shù),并要求第 k 個優(yōu)化參數(shù)精確到小數(shù)點后 dk 位,那么可按照一元函數(shù)的情況從左到右依次構建 ?? ?81 )1(k kd列城市,其余路徑轉移規(guī)則、信息素更新規(guī)則和局部搜索策略都與一元連續(xù)函數(shù)情況相同。 11 下面給出 DACA 算法應用過程的具體步驟: ( 1)設置初始參數(shù),包括螞蟻數(shù) num_ ant,循環(huán)次數(shù) num_clc,揮發(fā)系數(shù) ? ,調節(jié)系數(shù) K、 Q,所有路徑信息素量初值 0? ,螞蟻初始位置等。 ( 2)根據(jù)式( 14)計算每只螞蟻的轉移概率,然后依據(jù)賭輪原則為每只螞蟻選擇下一個路徑城市。重復上述操作直至所有螞蟻均完成一次循環(huán)。 ( 3)將每只螞蟻的路徑解碼為優(yōu)化參數(shù)值,計算目標函數(shù)值,找出最好的前10 只螞蟻的路徑。然后根據(jù)局部搜索策略規(guī)則更新相關路徑上的信息素。 ( 4)判斷是否滿足終止條件,不滿足則重復( 1)至( 3)步過程;滿足則結束計算輸出結果。 用函數(shù)逼近法進行參數(shù)化的相關參數(shù)設置為:設將軌跡離散化劃為 6 段,那么待優(yōu)化參數(shù)共 8 個參數(shù),即 7 個推力方向角和 1 個終端時刻 ft 。在用蟻群算法進行優(yōu)化過程中需要確定這個 8 個優(yōu)化參數(shù)的搜索范圍。對于 7 個方向角,由經(jīng)驗可知,推力方向與著陸器速度反方向夾角不會超過 90 度,否則著陸器將會被加速,燃料消耗將更多。所以確定 7 個推力的方向角的變化范圍為 : o0 ? i? o90 ,i=1,2,… ,7 ( 19) 對于終端時刻 ft ,很據(jù)齊奧爾科夫斯基公式和軟著陸初始條件,可由下式估計: )/) ) (/)e x p ( (1( 0 FmIIVVt ospspff ??? ( 20) (式中 fV 和 0V 分別表示著陸器的終端速度和初始速度,經(jīng)計算確定 ft 搜索范圍為(單位秒): 500 ft 800 (21) 十進制蟻群算法中的相關參數(shù)設置如表 532 所示: 實驗的結果分析: ? 5 5 0? Q K 50 num_clccCLC ———— num_antt 1000 表 532 DACA 算法相關參數(shù) 12 我們能通過仿真實驗大致得出 0? =, 1? = , 2? =; 得出兩階線性方程的表達式為: )(t? = tt ?? ( 22) 可知在主減速階段:運動的軌跡方程大致用式( 22)表示,運動軌跡大致為拋物線; 在快速調整段的主要是調整探測器姿態(tài),需要從距離月面 3km 到 處將水平速度減為0m/s,這需要調節(jié)四周的姿態(tài)發(fā)動機使主減速發(fā)動機的推力豎直向下,之后進入粗避障階段;粗避障段的范圍是距 離月面 到 100m區(qū)間,其主要是要求避開大的隕石坑,實現(xiàn)在設計著陸點上方 100m處懸停,同樣需要調整姿態(tài)發(fā)動機,并初步確定落月地點。 嫦娥三號在距離月面 處對正下方月面 錯誤 !未找到引用源。 2300m 的范圍進行拍照,獲得數(shù)字高程如圖所示 ( 相關數(shù)據(jù)文件 見 附件 3), 并嫦娥三號 在月面的垂直投影位于預定著陸區(qū)域的中心位置。 圖 524:距月面 2400m處的數(shù)字高程圖 之后進入 精避障段:要求嫦娥三號懸停在距離月面 100m處,對著陸點附近區(qū)域
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