一种火星着陆器抗干扰容错控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种火星着陆器抗干扰容错控制方法，针对在阵风影响环境下火星着 陆器控制系统存在执行机构部分失效的情况，采用抗干扰容错控制的思路，与传统的控制 器相比提高了控制系统的可靠性，增强了工程应用价值。
【背景技术】
[0002] 自人类开始空间探测W来，火星的探索就从未停止脚步。人类W找寻生命栖息的 第二地球为目标，对火星进行了环绕观测、接近观察、着陆采样等一系列任务，试图在火星 上寻找到生命的迹象。终于在2015年9月，美国NASA在火星上找到了水存在的可能性证据， 运也标志着火星任务的又一历史性时刻。在火星任务如火如茶的进行过程中，着陆器作为 执行任务的主体，能否W高精度成功抵达预定地点保证后续任务的顺利完成是整个任务的 关键。而着陆器的执行机构精度及可靠性与整个着陆任务的质量息息相关。在经过了长时 间的巡游过程W后，火星着陆器的执行机构容易因部分失效导致精度降低。同时，火星复杂 多变的环境，给着陆器完成指令信号带来了极大影响。对于W上火星着陆器执行机构精度 降低W及着陆器抗干扰能力不足两方面问题，现在的研究都有了一定的进展，但是并不能 很好的解决两方面问题同时发生的情况。特别是在火星表面阵风普遍存在的情况下，着陆 器需要增加喷气的推力W抵消环境的影响，此时执行机构的部分失效将会给着陆器对指令 的执行带来更大的影响，最终造成着陆器偏离航线导致任务失败。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题是:在阵风影响环境下，针对火星着陆器控制系统存在的 执行机构部分失效情况，克服现有技术的不足，提供一种具有容错性能的部分失效控制方 法，解决阵风影响下的控制系统容错控制问题，提高系统的容错能力W及抗干扰能力。
[0004] 本发明的技术解决方案为:一种火星着陆器抗干扰容错控制方法，包括W下步骤： 首先，搭建火星着陆器的姿态运动学与动力学模型;其次，针对动力下降段火星表面阵风带 来的影响，设计风扰估计器对作用在火星着陆器上的阵风影响进行估计，进而通过前馈通 道进行补偿;再次，设计执行机构部分失效观测器估计火星着陆器执行机构部分失效值并 予W补偿;最后，将风扰估计器、执行机构部分失效观测器和PD姿态控制器相复合，构造阵 风影响下的火星着陆器执行机构部分失效的容错控制器;具体步骤如下：
[0005] 第一步，搭建火星着陆器的姿态运动学与动力学模型
[0006] 搭建火星大气密度不确定性影响下的火星着陆器大气进入段运动学与动力学模 型如下：
[0009]其中，
，F = G(〇)-i， j*二pTjF，护-f 'l (八古+ (八听）f，u*二FTu，d*二FTd，o表示火星着陆器的倾侧角，J代表 火星着陆器的转动惯量，Jxx、Jyy、Jzz是着陆器；轴转动惯量值，Jxy、Jxz、Jyx、Jyz、Jzx、Jzy是ミ 轴转动惯量禪合值，ω = [ ωχ, ωγ，ωζ]τ是Ξ轴角速度，U表示火星着陆器的Ξ轴控制力矩， d为阵风引起的Ξ轴干扰力矩；
[0010] 在运里，我旋义6。= 〇-叫
可W得到：
[0011] 丈=血'+及1'知+巧
[0012] 运里：
[0013]
[0014] 其中Kp，Kd为待定控制增益；
[0015] 考虑到控制输入通道中会发生喷气执行机构的部分失效情况，系统可重新描述 为：
[0016] i = Ax·-^· By{u -I-E. -I- d)
[0017] 其中执行机构部分失效值为E，可w表示为Ε = -βιι，β代表执行机构失效程度，干扰 d由如下系统描述：
[001 引
[0019] 其中w(t)为系统的状态变量，W，V为已知的系统矩阵；S(t)为模型摄动，可W当作 能量范数有界干扰来处理；
[0020] 第二步，构造风扰估计器
[0021] 针对火星动力下降段阵风引起的干扰d，设计风扰估计器进行估计并补偿，风扰估 计器结构如下：
[0022]
[0023] 其中，V为辅助的状态变量，L2为待定的风扰估计器增益阵，J为d的估计值；
[0024] 第Ξ步，设计执行机构部分失效观测器
[0025] 针对火星着陆器的执行机构部分失效设计执行机构部分失效观测器估计火星着 陆器执行机构部分失效值并予W补偿，执行机构部分失效观测器结构如下：
[0026]
[0027] 其中，z为辅助的状态变量，Li为待定的执行机构部分失效观测器增益阵，念为E的 估计值。
[0028] 第四步，基于风扰估计器、执行机构部分失效观测器构造复合容错控制器，设计复 合容错控制器，对火星着陆器受到的阵风d和执行机构部分失效E影响估计并抵消，复合容 错控制器形式如下：
[0029]
[0030] 其中U。?为复合容错控制量，后为第Ξ步中的执行机构部分失效估计值，j为第二 步中的阵风影响估计值。
[0031] 本发明与现有技术相比的优点在于:本发明的阵风影响下火星着陆器执行机构部 分失效的容错控制器采用了复合容错控制器的方法，控制器包括阵风干扰估计、执行机构 部分失效观测补偿和姿态指令跟踪Ξ个部分：阵风干扰估计部分由风扰估计器组成，用于 估计阵风干扰对着陆器造成的影响，并通过前馈通道予W抵消;执行机构部分失效观测补 偿部分由执行机构部分失效观测器构成，用于估计执行机构部分失效值并予W补偿;姿态 指令跟踪部分由PD姿态控制器组成，用于消除对指令跟踪的误差；相对于现有的火星着陆 器姿态控制方法，本发明设计的阵风影响下的容错控制器在抗干扰性W及可靠性方面有极 大的改善；
【附图说明】
[0032] 图1为本发明所述的火星着陆器抗干扰容错控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0033] 如图1所示，本发明具体实现步骤如下下W火星着陆器的姿态控制系统为例来 说明方法的具体实现）：
[0034] 1、搭建火星着陆器的姿态运动学与动力学模型
[0035] 搭建火星大气密度不确定性影响下的火星着陆器大气进入段运动学与动力学模 型如下：
j* =巧F，护=-尸'(八古化Π /7，u* = FVd* = FTd，〇表示火星着陆器的倾侧角，J代表 火星着陆器的转动惯量，Jxx、Jyy、Jzz是着陆器；轴转动惯量值，Jxy、Jxz、Jyx、Jyz、Jzx