اصلاح الگوریتم تخمین و کنترل ساختار متغیر برای فرود مقید مریخ‌نشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی فضایی، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 مهندسی فضایی، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

فرود بر سیاره مریخ یکی از مسائل مهم و چالشی صنعت فضایی است که با عدم قطعیت‌های سیستمی و محیطی فراوانی مواجه است. از همین رو، دستیابی به مدل دقیقی از دینامیک مریخ‌نشین امکانپذیر نیست. در این راستا، پژوهش حاضر به طراحی الگوریتم یکپارچه تخمین و کنترل برای مرحله آخر فرود یعنی نشست پرداخته است بگونه‌ای که بتواند در برابر عدم قطعیت‌های موجود عملکرد قابل قبولی ارائه دهد. الگوریتم پیشنهادی بر مبنای چارچوب کارکردی کنترل ساختارمتغیر شکل گرفته و نیاز به ژاکوبین‌گیری و ایجاد اندازه‌گیری‌های مصنوعی را به کمک جایگزینی خطی‌سازی تحلیلی با خطی‌سازی آماری و تئوری معکوس تعمیم‌یافته ماتریس برطرف نموده است. عملکرد الگوریتم پیشنهادی در حضور عدم قطعیت‌های مختلف ناشی از شرایط اولیه تصادفی دینامیک کوپل مریخ‌نشین، ناپایداری اتمسفری و خطای مدلسازی نیرو‌ها و گشتاورهای وارده، تاخیر زمانی عملگرهای کنترلی و با لحاظ کردن قیود هندسی محل فرود و اشباع عملگرها بررسی شده است. در ادامه، عملکرد الگوریتم ناوبری مقاوم پیشنهادی با نتایج حاصل از ترکیب الگوریتم‌های متداول فیلتر کالمن توسعه‌یافته و کنترلر تناسبی-انتگرالی-مشتقی در مساله غیرخطی فرود بر سیاره مریخ قیاس شده است. نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی‌های مونت کارلو به وضوح عملکرد دقیق و مقاوم الگوی ناوبری و کنترل پیشنهادی را نشان داده و برتری آن نسبت به الگوریتم‌های متداول رایج را تایید می‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modified Variable Structure Estimation and Control for Constrained Landing on Mars

نویسندگان [English]

  • Maryam Kiani 1
  • Reza Ahmadvand 2
1 Aerospace engineering department, Sharif University of technology, Tehran, Iran
2 Aerospace Engineering department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Landing on Mars is one the most important space missions undergoing various system and environmental uncertainties. Subsequently, an exact model to represent the dynamic system cannot be provided in advance. In this regard, the present paper has focused on designing an integrated estimation and control algorithm bringing accurate navigation in the presence of uncertainties for the landing problem. The proposed algorithm has been shaped based on the variable structure control framework. This algorithm alleviates the requirement of Jacobian via substituting statistical linearization for the analytical one and utilizing generalized matrix inverse theory. Performance of the proposed algorithm has been investigated via Monte Carlo simulations in the presence of different uncertainties including stochastic initial conditions of the coupled Mars lander dynamics, atmosphere instability and modeling errors of the exerted forces and moments, time delay of actuators, geometric constraint of the landing site as well as the saturation limitations of actuators. In addition, the obtained results have been compared to the results obtained from combination of well-known extended Kalman filter and PID controller. This study clearly shows the precise and robust performance of the proposed integrated estimation and control algorithm and proves its superiority against existing widespread algorithms.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Robust estimation
  • Robust Control
  • Landing
  • Cubature Kalman filter
  • Variable structure filter