嫦娥三號軟著陸軌道設(shè)計(jì)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(nèi)容簡介】 ????????????????? （ 13） 根據(jù)動力下降段的起點(diǎn)位置可以 確定動力學(xué)方程初值條件，由于起點(diǎn)處于霍曼轉(zhuǎn)移軌道（橢圓軌道）的近地點(diǎn)，故其初始條件為： )2(1000000ABBAAARRRRRvRr???????? (14) 終端條件為實(shí)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(biāo)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?nèi)?yōu)化變量為制動發(fā)動機(jī)推力方向角 )(t? 。優(yōu)化的 性能指標(biāo)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(fù)雜，首先介紹以下求解的理論知識： 本文也采用直接法進(jìn)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(yīng)用優(yōu)化算法，因此首先要將這個 軌跡優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化參數(shù)優(yōu)化問題。采用函數(shù)逼近法進(jìn)行參數(shù)化。在這里設(shè)主發(fā)動機(jī)的推力方向角 )(t? 可以表示成一個多項(xiàng)式的形式，即： )(t? = 2210 tt ??? ?? （ 17） 這些軌跡優(yōu)化問題就轉(zhuǎn)化為對多項(xiàng)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(jìn)一步改進(jìn)。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(diǎn)設(shè)定一個推力方向角，那么可以將 7 個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的推力方向角都有一個對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)時刻。那么利用者 7 個節(jié)點(diǎn)的推力方向角及對應(yīng)時刻對式（ 17）進(jìn)行擬合，可以求得多項(xiàng)式的系數(shù) i? （ i=0,1,2），進(jìn)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(shè)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(diǎn)后 dk 位，那么可按照一元函數(shù)的情況從左到右依次構(gòu)建 ?? ?81 )1(k kd列城市，其余路徑轉(zhuǎn)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(yīng)用過程的具體步驟： （ 1）設(shè)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(diào)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(jì)算每只螞蟻的轉(zhuǎn)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(fù)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(jì)算目標(biāo)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(guān)路徑上的信息素。 （ 4）判斷是否滿足終止條件，不滿足則重復(fù)（ 1）至（ 3）步過程；滿足則結(jié)束計(jì)算輸出結(jié)果。 用函數(shù)逼近法進(jìn)行參數(shù)化的相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：設(shè)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(jìn)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(yàn)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(jì)： )/) ) (/)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(jì)算確定 ft 搜索范圍為（單位秒）： 500 ft 800 (21) 十進(jìn)制蟻群算法中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表 532 所示： 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析： ? 5 5 0? Q K 50 num_clccCLC ———— num_antt 1000 表 532 DACA 算法相關(guān)參數(shù) 12 我們能通過仿真實(shí)驗(yàn)大致得出 0? =， 1? = , 2? =； 得出兩階線性方程的表達(dá)式為： )(t? = tt ?? （ 22） 可知在主減速階段：運(yùn)動的軌跡方程大致用式（ 22）表示，運(yùn)動軌跡大致為拋物線； 在快速調(diào)整段的主要是調(diào)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(diào)節(jié)四周的姿態(tài)發(fā)動機(jī)使主減速發(fā)動機(jī)的推力豎直向下，之后進(jìn)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(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)著陸點(diǎn)上方 100m處懸停，同樣需要調(diào)整姿態(tài)發(fā)動機(jī)，并初步確定落月地點(diǎn)。 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(jìn)行拍照，獲得數(shù)字高程如圖所示 （ 相關(guān)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(yù)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(jìn)入 精避障段：要求嫦娥三號懸停在距離月面 100m處，對著陸點(diǎn)附近區(qū)域
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