深空探测器大角度机动路径自主生成方法

摘要

深空探测器大角度机动路径自主生成方法，涉及一种实现深空探测器自主生成大角度机动路径的方法。本发明要解决的技术问题是克服已有技术的困难，提供一种能够自主完成探测器大角度机动的方法，方法主要实现为：通过给定的探测器轨道信息，对环境进行判断并自动的生成障碍，基于这些障碍通过规划算法生成姿态机动的路径，这里，规划算法采用我们提出的改进的RRT算法，在随机树的扩展中通过单轴随机算法，使属于三维规划的大角度机动规划问题简化成为一个二维规划问题，并引入启发因子，加快算法的收敛。并利用前向搜索对规划出来的路径进行优化。本发明具有交互性强、直观、快捷等特点。

主权项

1、深空探测器大角度机动路径自主生成方法，其特征在于所述方法按照如下步骤进行：一、障碍自主生成：1)、根据探测器载荷的安装，确定相关矢量，限制相关矢量Ri与圆锥体的轴线方向Rc的夹角满足下述条件：Ri·Rc＜cosαmin或Ri·Rc＞cosαmax；2)、根据给定时刻，探测器自主生成地球-天线障碍区；3)、根据探测器当前位置，确定太阳-导航相机障碍区、太阳-星敏感器障碍区；4)、根据给定时刻和探测器当前位置，自主确定需要考虑的大型行星，并确定相应的星敏感器-行星障碍区，其中当前行星在星敏感器中的成像大小满足下述条件：L＝R/Dsp-planet，R为行星的半径，Dsp-planet为探测器与行星的距离；二、大角度机动规划：(一)、利用单轴随机扩展的RRT规划算法规划姿态规划路径，具体方法如下：1)、规划空间：采用Euler轴角或四元数表示探测器的姿态；2)、姿态制导律：为满足约束条件，一次完整的大角度机动要分成多次小的大角度机动，定义小的机动间的状态为节点，假定节点处探测器的姿态角速率为零，且节点间的姿态运动为固定Euler轴旋转，则相邻节点间的姿态制导律为：qi+1＝qiqei，其中：qi为第i个节点对应的姿态四元数，qei为第i个节点与第i+1个节点间的偏差四元数，对应两节点间的固定Euler轴角旋转；3)、二维的概率启发因子：在随机生成节点的过程中，引入启发因子会加快算法的收敛，假设S、T分别为平面上的两点，两者中点为C，则随机生成点R可取概率为：其中：A为常数，Dis(R，C)表示R、C之间的距离；4)、单轴随机扩展算法：(1)随机生成两个角α、β，求出其在单位球面上对应的一点Rrz(xrz，yrz，zrz)，令Rrz为随机Euler轴角Rr时探测器体坐标系的Z轴指向矢量；(2)按照二维的概率启发因子决定此点是否可取，如果可取则继续下一步骤，否则返回步骤(1)；(3)在已有的Euler轴角中，找出Z轴指向矢量与Rrz夹角最小的Euler轴角Rn，夹角为θ；(4)如果θ＞0.2弧度，返回步骤(1)；如果θ≤0.2弧度，继续下一步骤；(5)Rn的X轴指向矢量为Rnx(xnx，ynx，znx)，Rn的Y轴指向矢量为Rny(xny，yny，zny)，如果znx≥zny，则执行步骤(6)，否则执行步骤(7)；(6)通过下式求解Rr的X轴指向矢量Rrx(xrx，yrx，zrx)：$\left\{\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{rx}}=z_{\mathrm{nx}}\\ x_{\mathrm{rx}}·x_{\mathrm{rz}}+y_{\mathrm{rx}}·y_{\mathrm{rz}}+z_{\mathrm{rx}}·z_{\mathrm{rz}}=0\\ x_{\mathrm{rx}}·x_{\mathrm{rx}}+y_{\mathrm{rx}}·y_{\mathrm{rx}}+z_{\mathrm{rx}}·z_{\mathrm{rx}}=1\end{array}\right.;$ (7)通过下式求解Rr的Y轴指向矢量Rry(xry，yry，zry)：$\left\{\begin{array}{c}{z}_{\mathrm{ry}}=z_{\mathrm{ny}}\\ x_{\mathrm{ry}}·x_{\mathrm{rz}}+y_{\mathrm{ry}}·y_{\mathrm{rz}}+z_{\mathrm{ry}}·z_{\mathrm{rz}}=0\\ x_{\mathrm{ry}}·x_{\mathrm{ry}}+y_{\mathrm{ry}}·y_{\mathrm{ry}}+z_{\mathrm{ry}}·z_{\mathrm{ry}}=1\end{array}\right.;$ (8)由Rrz(xrz，yrz，zrz)、Rrx(xrx，yrx，zrx)或Rry(xry，yry，zry)即可确定此次随机生成的Euler轴角；(9)判断生成的Euler轴角是否满足约束条件，如果不满足约束条件，返回步骤(1)；5)、利用上述单轴随机扩展算法，得到改进的RRT规划算法如下：(1)把起始姿态加入路径列表；(2)判断路径列表中的最后一个点是否能够直接到达终止姿态，如果可以，结束，否则继续；(3)利用单轴随机扩展算法生成一个随机姿态；(4)在当前路径中找到离随机姿态最近的姿态；(5)判断随机姿态和最近姿态之间的路径是否通过障碍区，如果是，则返回步骤(3)，否则，建立两者的联系；(6)把随机点加入路径列表末尾，跳转至步骤(2)；(二)、利用前向搜索对路径优化；(三)、最终生成可行大角度机动规划路径。