一种面向复杂月面工况的无人自主自适应钻进方法与流程

本发明涉及深空探测领域，特别是一种面向复杂月面工况的无人自主自适应钻进方法。

背景技术：

随着现代科技的进步，人类目前已经有能力达到地球以外的天外星体。天外星体的深空探测对人类开展探索地球生命起源、研究恒星演化和恒星与行星形成关系等具有重大科学意义。在此条件下，国际上的主要航天国家都开展或计划开展各种深空探测项目，特别是各种星壤采样返回任务，星壤采样任务的难点与星壤的性质关联很大，特别是在深层月壤钻取采样任务中。

实际月壤的形成主要受物理破碎作用控制，陨石和微陨石撞击在其中起主导作用。由于陨石撞击产生高温熔融及破碎作用，月壤中常含有玻璃球、粘结颗粒，以及玄武岩、角砾岩碎块等，颗粒组成较为复杂。实际月壤呈现以下典型性质：(1)月壤无水表现出较强的散体颗粒性质；(2)密实度高；(3)月壤级配复杂不确定性高，不同着陆区域模拟月壤有很大差异性。

国际上通常采用螺旋钻具回转和进行动作实施月壤钻进取样任务，然而对某一确定状态的螺旋钻具，一个固定的回转和进尺参数只能保证月壤状态波动一定范围内正常钻进取样，高密实度和大内摩擦角下可允许的月壤状态波动范围进一步缩小。面对实际月面不确定性复杂月壤工况，无人月面采样任务中需要采用一种自动辨识和参数匹配方法，达到针对不确定月面工况的无人自主自动采样。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种面向复杂月面工况的无人自主自适应钻进方法，与现有技术相比能够自动识别月壤工况进而自动匹配相应钻进参数，提高了月面取样可靠性，降低月面取样成本。

本发明的技术解决方案是：一种面向复杂月面工况的无人自主自适应钻进方法，包括如下步骤：

(1)将可选择的螺旋钻具钻进参数组合按照容易钻进模拟月壤组合中模拟月壤的程度进行排序，获得包括多个钻进参数组合的第一结果；所述的钻进参数为螺旋钻具回转档位、进尺档位的组合；所述的模拟月壤组合包括多种标准的模拟月壤；

(2)根据螺旋钻具进尺驱动机构的驱动能力、安全裕度，设定第一结果中各个钻进参数组合的钻进力载判断阈值，并作为第二结果；

(3)获取当前需要钻进的实际工况月壤，根据第一结果中的多个钻进参数依次对实际月壤进行钻进，并使用第二结果中的钻进力载判断阈值进行判断，直至完成实际月壤钻进取样，并生成第三结果；所述的第三结果包括完成实际月壤钻进最终使用的钻进参数及当前钻进参数对应的标准的模拟月壤。

所述的将可选择的螺旋钻具钻进参数组合按照容易钻进模拟月壤组合中模拟月壤的程度进行排序，获得包括多个钻进参数组合的第一结果的方法包括如下步骤：

(1)根据螺旋钻具回转档位M档、进尺档位N档形成M×N种钻进参数组合，然后设定L种标准的模拟月壤{S₁,...,S_L}，采用M×N种钻进参数组合控制螺旋钻具对L种标准的模拟月壤开展M×N×L组钻取试验，得到M×N×L组试验数据；所述的试验数据包括钻进力载、取样量；

(2)对M×N×L组试验数据中的钻进力载进行平滑处理、取样量进行统计，然后按照平滑处理的钻进力载大小对M×N种钻进参数进行排序，当钻进力载相等时，对应取样量较大的钻进参数放置在对应取样量较小的钻进参数前；进而得到钻进参数序列{A₁,...,A_M×N}，并作为第一结果。

所述的根据螺旋钻具进尺驱动机构的驱动能力、安全裕度，设定第一结果中各个钻进参数组合的钻进力载判断阈值，并作为第二结果的方法包括如下步骤：

(1)将螺旋钻具进尺驱动系统的驱动力作为钻进参数组合A_i运行进尺力载的最高上界F^sup，选择安全裕度η，进而得到钻进参数组合A_i的钻进力载判断阈值F_i^sup为

F_i^sup＝F^sup/η；其中，安全裕度η为1.5

(2)对于钻进参数组合序列{A₁,...,A_M×N}中前1/3的钻进参数组合A_i，修正其判断阈值F_i^sup为

F_i^sup＝F^supγ/η，其中，γ∈(0,1)；将所有钻进参数组合A_i对应的钻进力载判断阈值组合得到第二结果。

所述的获取当前需要钻进的实际工况月壤，根据第一结果中的多个钻进参数依次对实际月壤进行钻进，并使用第二结果中的钻进力载判断阈值进行判断，直至完成实际月壤钻进取样，并生成第三结果的方法包括如下步骤：

(1)获取当前需要钻进的实际月壤，依次使用钻进参数组合{A₁,...,A_M×N}中钻进参数对实际月壤进行钻进；

(2)如果采用钻进参数组合A_j工作，螺旋钻具的钻进力载大于则转入步骤(3)，如果采用钻进参数组合A_j工作，螺旋钻具的钻进力载不大于则使用钻进参数A_j进行实际月壤的钻进并完成钻进采样，将钻进参数A_j及钻进参数A_j对应的标准的模拟月壤作为第三结果，其中，j的初值为1；

(3)j＝j+1，转入步骤(2)，直至生成第三结果，并完成实际月壤的钻进采样。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法通过对钻进参数组合进行排序，解决了螺旋钻具对月壤的钻进取芯性能评价问题，从钻进取样角度将钻进参数与月壤状态系统关联，简单有效，具有很好的使用价值；

(2)本发明方法通过月壤状态识别算法和钻进参数匹配方法，解决了实际月面工况不确定与螺旋钻具钻进取样性能依赖月壤状态的矛盾，具有很好的普适应。

附图说明

图1为本发明一种面向复杂月面工况的无人自主自适应钻进方法原理图；

图2为本发明一种面向复杂月面工况的无人自主自适应钻进方法流程图；

图3为本发明方法中钻进参数组合排序方法流程图；

图4为本发明方法中月壤状态识别逻辑流程图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种面向复杂月面工况的无人自主自适应钻进方法，，与现有技术相比能够自动识别月壤工况进而自动匹配相应钻进参数，提高了月面取样可靠性，降低月面取样成本，下面结合附图对本发明方法进行详细说明。

如图1为本发明一种面向复杂月面工况的无人自主自适应钻进方法原理图，面向复杂工况的无人自主自适应钻进取样方法原理包括：

(1)将可选择的钻进参数组合按照容易钻进的程度进行排序，获得第一结果；

(2)按照产品允许驱动能力及足够的安全裕度，设定各钻进参数组合下的判断阈值，获得第二结果；

(3)通过第一结果和第二结果，针对某一不确定工况月壤，形成月壤状态识别算法，得到第三结果；

(4)通过第三结果，根据第三结果识别出的月壤状态，形成钻进参数匹配算法包括，获得第四结果。

(5)自适应控制算法程序化及无人自主自适应月面采样。

本发明方法提供的初始条件包括一套螺旋钻具，一套驱动系统，实际月面月壤状态包络范围及相应标准模拟月壤。通过以上初始条件，在月面工作过程中针对不确定工况的月壤，自动识别月壤状态并匹配相应驱动参数，实现月面无人自主自适应钻进取样，如图2所示为本发明一种面向复杂月面工况的无人自主自适应钻进方法流程图。为实现上述目的，提供一种面向不确定性月面面工况的螺旋钻具自动钻进取样方法，并采用如下技术路径：

更具体的，步骤(1)可通过图3进一步的阐明，首先根据螺旋钻具的驱动系统设定的回转档位M档和进尺档位N档形成M╳N种钻进参数组合；根据实际月面工况，设定L种标准的模拟月壤{S₁,...,S_L}，要求以上L中标准月壤工况能代表实际月壤工况特性；制备L中模拟月壤，采用M╳N种钻进参数控制系统驱动钻具开展M╳N╳L组钻取试验；对试验数据进行处理，其中，对钻进力载进行平滑处理，对取样量进行统计；按照平滑后钻进力载的大小进行排序，其中对同样钻取月壤对象，力载较大者排前；对差别不容易区分部分按照取样量进行排序，取样较高或能够取到月壤样品种类较多者排前面；最终形成一种越靠前越能取到样品，越靠后钻进力载越来越小的钻进参数组合序列{A₁,...,A_M×N}，获得第一结果。

更具体的，步骤(2)可进一步说明：照产品允许的加载驱动能力及足够的安全裕度，设定各钻进参数组合下的判断阈值包括：将钻具进尺驱动系统的能力作为每种钻进参数组合A_i下允许运行进尺力载最高上界F^sup，在合理选择安全裕度η条件下，钻进参数组合A_i下设置的阈值F_i^sup应该满足ηF_i^sup≤F^sup，一般选择F_i^sup＝F^sup/η；对于钻进参数组合序列中比较靠前的钻进参数组合A_i，与其匹配的月壤状态中正常钻进取样的力载F_i^nor一般与F^sup/η相差较大，此时可以取F_i^sup＝F^supγ/η，其中γ∈(0,1)，F_i^sup作为钻进参数组合A_i下的钻进力载判断阈值，得到第二结果。

更具体的，步骤(3)可通过图4的具体实施例进一步的阐明：正对某一不确定月壤工况的月壤，首先尝试采用钻进参数组合序列{A₁,...,A_M×N}中的钻进参数组合A₁，如果A₁能驱动钻具实现正常钻进取样，当前钻进月壤即为与A₁对应的月壤状态；如果一段时间后钻进力载超过第二结果确定的钻进力载阈值F₁^sup，则钻进驱动参数调整为A₂；在钻进参数组合A₂工作状态下继续观察钻进力载，如果力载仍然超过A₂对应的钻进力载阈值钻进驱动参数调整为A₃；依次类推，知道钻进驱动参数调整至A_i，钻进力载控制在F_i^sup以下，此时确定当前钻进月壤工况为如果最终钻进参数调整至A_M×N，则当前月壤状态为A_M×N正常取样所对应的月壤状态，得到第三结果。

更具体的，步骤(4)可进一步说明：月壤状态及与之相对应的钻进参数组合A_i，如果已经识别出来，则系统钻进参数维持在钻进参数组合A_i；月壤状态正在被识别过程中；分别采用A₁，A₂，...A_i-1短时间工作，一旦钻进力载大于F_i^sup，钻进档位自动切换至钻进参数序列中下一个值档位，得到第四结果。

更具体的，步骤(5)可进一步说明：将第三结果和第四辨识逻辑及月壤参数匹配算法实现过程软件编程，得到面向复杂月壤工况的无人自主自适应钻进软件，驱动钻具工作，最终在无人自主条件下实现了不确定工况月壤自主自适应钻进。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。