探月足式飞跃机器人设计与控制

外星探测器依赖于探测装备完成探测任务，国际上常采用着陆器和巡视器设计外星探测器。外星探测器重量直接影响着探测成本，如果能把着陆器和巡视器融为一体，设计出可在月面反复着陆和行走的飞跃器，则能显著降低外星探测器的重量，大幅减少外星探测的成本。由于人类还没有实现利用腿式机器人探测月球，腿式月球探测飞跃器的开发可体现我国航天领域自主创新能力。依托北京空间飞行器总体设计部（航天五院总体部）与上海交通大学的合作项目“反复着陆器设计”，开展了月面低空飞跃着陆行走四足和六足飞跃探测器初探。飞跃探测器方案采用并联式主动腿式机构，具有在多种复杂地形上主动缓冲着陆和行走的适应能力；设计并采用了一种新型高功率密度力控驱动单元；进行了飞跃探测器的结构优化设计，实现了轻量化；针对着陆和行走过程中的控制问题，提出了主被动复合缓冲设计思路和控制方法，实现了飞跃器着陆过程的缓冲和身体稳定性，具备多次缓冲、自主移动、可收拢展开、着陆姿态调整、复杂地形适应等多种功能。     

月球重力转弯软着陆的模糊变结构控制

针对月球软着陆的最终段,提出了以重力转弯方式进行软着陆的模糊变结构制导律.首先设计了次优滑动面,然后引入模糊控制器,使滑动变量逐渐收敛到0,实现安全着陆.考虑了发动机推力偏差、着陆器初始质量估计偏差、月球引力加速度偏差、初始条件干扰、敏感器测量误差及姿态跟踪误差.并用Monte Carlo技术验证了所设计的模糊变结构制导律具有很强的鲁棒性,能够克服各种随机偏差及干扰的影响.因此,所设计的软着陆制导律是可行的,并且只须以斜向距离和斜向速度作为输入,工程实现简单.      

月球着陆器着陆安全分析方法

月球着陆器软着陆地点选择及安全着陆实现是探月二期的关键问题.采用不考虑着陆器着陆过程中发动机控制、着陆姿态控制和动力学性能,在计算机上依据低精度月面数据和已有月面典型地形特征分布/形状模型仿真生成高精度着陆区域;根据着陆器的结构尺寸和着陆安全要求对每个安全参数进行计算、比较、判断得到单次着陆安全性,利用蒙特卡洛方法计算多次在仿真地形上的着陆安全概率.试验结果表明:采用这种方法时,着陆器的结构尺寸相同分析结果才有意义.在计算机上仿真生成着陆区域、设置着陆器结构尺寸和安全参数,使其可以用于地面系统的仿真实验,也可在月面软着陆过程中实时分析选定区域的着陆安全概率.     

行星着陆自主导航与制导控制研究现状与趋势

行星着陆自主导航与制导控制技术是行星着陆过程的核心技术之一,关系到行星着陆任务的成败。本文基于未来火星和小天体着陆对自主导航与制导控制技术的发展需求,阐述了进一步开展自主导航与制导控制研究的必要性,围绕行星着陆过程环境特点,分析了自主导航与制导控制技术所遇到的挑战,随后概括了行星着陆自主导航与制导控制所涉及的关键技术,并综述了关键技术的研究现状。最后对我国未来行星着陆探测自主导航与制导控制技术的发展方向进行了展望。     

月球着陆器软着陆冲击仿真

为提高分析月球着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应的准确性,提出一种基于瞬态动力学的着陆器有效载荷软着陆冲击响应分析方法.根据着陆器全机结构柔性和月壤柔性对有效载荷着陆冲击响应的影响,参照某型着陆器,于MSC.PATRAN环境中建立着陆器全机柔性体模型及月壤柔性体模型,运用瞬态动力学仿真软件MSC.DYTRAN对着陆器软着陆有效载荷着陆冲击响应特性进行了仿真研究.仿真结果与试验结果具有一定的一致性.研究结果表明:使用该方法分析着陆器软着陆有效载荷的着陆冲击响应是准确有效的,能够比较逼真地模拟月球着陆器实际着陆工况.     

基于Unity3D的月面复杂地形场景构建及模拟驾驶系统

为了验证未来复杂月面地形操控技术方案,本文基于Unity3D物理引擎对月表模型、月球物理环境以及月面光照环境进行了模拟,设计并开发了一套用于模拟月球自主进行着陆点选址以及在线航天器着陆轨迹规划的模拟系统。模拟系统的工作过程包含了：基于面阵雷达与立体相机信息融合的局部月表重建,基于3D重建结果的月表地形着陆代价的快速评估与自动着陆选址,以及使登陆器能够到达选址目标的最优燃料消耗着陆运动规划,实现了月球着陆器短距离自主选址着陆的模拟系统构建,同时也从仿真的角度初步验证了“地形重建-地形评估-自主选址-软着陆”这一自主着陆过程的可行性。     

基于模型预测控制的多约束火星精确着陆制导律研究

主要研究了火星着陆动力下降段考虑燃料消耗和实际任务约束条件的制导律设计问题。选取可变推力发动机作为执行机构,首先建立了着陆器在动力下降段的运动方程及质量变化方程;其次对实际任务中需要考虑的斜坡、推力幅值和方向等约束条件建立了约束模型;接下来通过构造由控制量和状态量构成的性能指标,提出一种基于模型预测控制的多约束火星精确着陆制导算法。可实现多种约束条件下的指标最优精确着陆任务。最后,通过数值仿真对比了本文与已有典型着陆策略,验证了所提算法可以在满足约束条件的前提下有效地完成既定火星精确着陆任务。     

基于刚柔耦合模型的月球着陆器动力学分析

基于刚柔耦合多体动力学理论,提出了一种基于三维实体造型、有限元分析与多体动力学分析的刚柔耦合动力学仿真分析方法;利用该方法建立了月球着陆器着陆动力学模型,分别在地球重力环境和月球重力环境(1/6地球重力环境)下,对某典型着陆工况下的着陆动力学进行了仿真分析,得到了着陆器着陆的缓冲性能分析结果,包括主支柱最大缓冲行程、左右辅助支柱最大缓冲行程、最大质心加速度响应;将仿真结果与试验结果相比较,验证了着陆器动力学模型的正确性以及仿真分析方法的有效性,为今后的着陆器缓冲试验提供了动力学模型和仿真分析方法.从能量角度对月球着陆器的着陆过程进行分析,弥补了缓冲试验难以进行能量分析的不足.     

月球软着陆动力下降制导控制技术综述与展望

未来的月球着陆任务将着力于开发月球资源、建立月球基地,这些都离不开月球软着陆技术的支持;而要实现探测器在预选点安全精确地着陆,就离不开动力下降制导控制技术的支持。本文系统地总结了两种成功的月球软着陆及其制导方式,对已有的制导控制方案及其研究进展进行了详细的阐述和对比分析。以未来的月球采样返回和月球基地任务为潜在工程目标,对下一代的月球软着陆动力下降的制导控制及其所涉及的关键科学技术问题进行了比较全面的分析和展望。     

国际动态

<正>NASA选择蓝源公司开发第二型载人月球着陆器5月19日消息，NASA授予蓝源公司（Blue Origin）团队价值34亿美元的固定价格合同，落实该机构制定的“可持续月球开发”（SLD）计划，为“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划开发第二型载人月球着陆器（HLS）。蓝源公司团队由波音（Boeing）、     

嫦娥三号何处安家?

<正>实现着陆器在月球表面软着陆是嫦娥三号此行最为引人注目的一笔,实现这一目标的关键有三个:一是着陆器能否在月面上成功着陆,二是着陆器在哪里着陆,三是着陆器着陆后能否完成科学探测任务。让我们先来看看月球探测软着陆场选择需遵循哪些原则?科学家认为,为了完成月球软着陆探测任务,软着陆区域的选择应该既能满足科学探测的需要,又具有实现可行性。比如,选在月球的背面肯定是不行的,因为非常不便于与地面的通信联系。那么,中国选择探测器软着陆区应该遵循哪些原则呢?     

一种基于星表特征直线匹配的着陆器位姿估计算法

针对深空探测星际着陆过程中的自主导航问题,提出一种基于星表特征直线的着陆器位姿估计算法。该算法首先采用EDLine算法对着陆过程中所拍摄的图像进行特征直线提取;其次根据直线局部特征对特征直线进行匹配;之后利用至少3对已匹配的特征直线,建立关于着陆器位姿的几何约束方程;然后根据奇异值分解法得到着陆器位姿的候选解;最终通过最小二乘法从候选解中选取着陆器位置、姿态的唯一解。仿真结果表明:该算法可以快速估计着陆器位姿,且在高度为2 000 m时位置误差小于2 m、姿态误差小于0.10°。     

一种基于陨石坑拟合椭圆的着陆器位姿估计算法

针对星际着陆自主导航问题,提出一种利用陨石坑边缘曲线估计着陆器位姿的简便算法。该算法首先利用至少3条陨石坑边缘曲线及其对应的像曲线,建立关于着陆器位姿的几何约束方程;然后由克罗内克积和最小二乘算法,求取着陆器位置、姿态的解析解。该方法的优点在于,计算过程简单、快速。仿真结果表明,该算法可以较精确的估计着陆器位姿,鲁棒性好。     

火星进入点误差对开伞点分布影响分析

随着火星探测任务需求的提升,着陆器在火星表面着陆精度的要求越来越高。着陆器开伞点分布是影响着陆精度的重要因素。文章围绕火星大气进入过程,简要介绍了着陆器运动学方程,并给出相应的数学模型。针对进入点（接触大气层）存在的初始状态误差,借助MonteCarlo法进行了着陆器开伞点分布情况分析。通过1000次重复仿真试验得出结论,着陆器开伞点的纵向误差在20~40km,横向误差在5~10km。最后,针对提高开伞点精度,提出两点建议并简要介绍了相关制导算法。     

月/火着陆制导方法与考虑不确定性的研究进展

上世纪六七十年代和21世纪后的两轮月/火探测热潮产出了丰硕成果,以Artemis计划、探月工程四期和火星采样返回为代表的新一批任务已拉开帷幕,站在这一特殊历史节点,对月/火着陆制导技术进行综述。首先,阐述了月/火着陆的物理过程,指出了未来复杂探测任务对制导技术的挑战。随后,鉴于轨迹优化这一技术分支近年取得的广泛发展,讨论了其与制导的联系。然后,回顾了月/火探测工程任务的技术遗产,包括多项式制导、动力显式制导、Apollo进入制导、预测校正制导以及凸规划制导。鉴于动力学与环境不确定性的挑战日益突出,讨论了来自人工智能、先进优化与控制等领域的潜在理论工具,能够为制导技术的发展提供新动力。最后,面向随时随地、高精度、高可靠、高自主着陆的制导技术发展需求,总结了后续研究方向。     

月球着陆器着陆过程动力学分析

以哈尔滨工业大学宇航空间机构及控制研究中心研制的四腿桁架式月球着陆器样机为研究对象,通过简化模型,导出了着陆器着陆过程中各个着陆脚和着陆器质心在惯性坐标系中的位置坐标方程,以此位置坐标方程为依据得到了着陆器准静态稳定性条件.通过分析着陆器与月面着陆时瞬态动力学行为,得到了着陆器在此瞬态的各动力学参数的计算公式,以此为依据,并离散时间变量,给出了可以程序化实现整个动态着陆过程动力学模拟的计算过程,为进一步研究着陆过程动力学行为奠定了基础.      

嫦娥四号着陆器月面工作遮挡应对方案研究

嫦娥四号着陆于月球背面南极 艾特肯盆地内，着陆区周围复杂地形导致测控和通信遮挡风险。针对这一问题，开展了着陆区的测控、光照遮挡分析，提出利用轨道控制策略的精细化设计来提高着陆点精度、优化月面工作程序和增加自主控制功能的设计方法,全方面降低嫦娥四号着陆器在月球背面着陆区的生存风险。该方法已通过嫦娥四号着陆器在轨验证，可以为其他深空探测任务提供参考和借鉴。     

基于蒙特卡罗法的月球探测器着陆稳定性分析

为了验证月球探测器的软着陆性能,建立了月球探测器着陆过程多体动力学仿真分析模型.由于探测器着陆地点及初始着陆条件的不确定性,采用蒙特卡罗法对探测器的着陆稳定性进行了研究.为了提高蒙特卡罗模拟的效率,采用了基于均值估计相对误差的蒙特卡罗模拟终止准则,从而在保证精度的前提下减少计算成本.通过着陆仿真试验,获得了探测器在给定坡度的月面上着陆时,各着陆性能参数的分布均值、方差及相应的置信区间等统计学结果,并计算了探测器安全着陆的可靠度.     

火星着陆自主导航方案研究进展

火星着陆导航技术是火星着陆过程的核心技术之一。围绕火星着陆环境特点与导航技术遇到的挑战,分析了目前火星着陆过程的导航能力和自主导航的发展趋势,并针对火星着陆过程的特殊性和导航需求,概述了火星着陆过程各阶段自主导航方案的研究现状与进展。进而从导航方案设计与配置、导航模型建立与仿真、导航方案性能分析等方面,对自主导航方案的最新研究进展进行了分析,并在火星着陆全过程自主导航方案综合仿真的基础上,获得了满足火星定点着陆要求的各阶段交接点应满足的导航精度。最后,基于目前技术现状和发展趋势,提出了构建"递进式三阶段"火星着陆自主导航方案的设想,可为未来火星着陆自主导航方案的设计与论证提供参考。     

火星软着陆能量最优制导律转移能力分析

着陆器在动力下降段的转移能力是影响定点软着陆的重要因素。文章从转移能力的角度出发,研究火星软着陆动力下降段能量最优制导律,分析燃料质量系数、时间权重以及不同初始高度和速度对转移能力的影响。由于能量最优制导律不能保证满足路径约束,因此对于确定的着陆器初始状态,着陆器转移能力不仅与燃料质量系数有关,还受到制导律本身的制约。当转移距离超过一定的界限时,尽管燃料充足,着陆轨迹会进入地表以下,造成任务失败。时间权重是能量最优制导律的关键参数,既影响燃耗,也影响着陆轨迹的形状。实际工程任务中,为实现燃料的充分利用,需根据着陆器状态调整制导律中的时间权重。本文给出了最优时间权重的确定方法,实现了一定燃料质量系数下的最大转移能力。