月面巡视器的多目标点任务规划方法研究

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任务规划系统是月球车地面控制的重要组成部分,对月球车的安全运行以及探测任务的完成具有至关重要的作用。针对单目标点路径优化模型难以很好的模拟复杂多变的月面环境的问题,本文以中国探月计划第二阶段的月球车自主探月任务为背景,以北京工业大学BH2月球车原理样机为研究对象,提出了基于多目标点规划的月球车任务规划方法。围绕该方法,设计并实现了一套月球车任务规划系统,该系统初步实现了路径级的任务规划。  本文的研究工作主要包含以下几个方面:  首先,分析月球车任务规划系统的整体性能特征,设计了一套基于能量最优的月球车任务规划系统方案,为多目标任务规划的实现提供了理论框架。该方案以任务规划引擎为核心,根据月球车任务规划内在的相关性和功能,将整个系统分为月面环境表示分系统、月球车工作模式建模分系统、星历计算分系统及整体任务规划引擎。各功能子系统通过任务规划引擎提供的接口建立联系,为多目标任务规划的实现提供了理论框架。  其次,针对月球车在月面探测过程中需要处理的约束条件进行建模分析,主要包括月球车运动学建模、月面环境建模及障碍物提取、能量约束和月-地通信约束。在考虑多种约束条件的基础上,为任务规划过程中插入的代价值计算建立了求解模型。  再次,通过全局规划与局部规划相结合的方法构建基于多目标点的路径规划搜索策略。在局部规划中,通过改进D* Lite算法搜索最优路径;在全局规划中,通过合成启发法构建最优序列矩阵,并通过启发式算法来保证算法的绝对收敛性。同时,在路径级规划的基础上,定义时间为评价指标,实现了任务层级的路径规划和站点工作模式的规划。  最后,根据月球车任务规划系统的总体设计方案以及月球车行进过程中的约束要求,在基于多目标点任务规划的三维仿真平台上进行了任务规划操作相关实验。在虚拟平台的任务规划系统中,通过执行任务规划操作,完成从起始点到目标点之间的规划,最终生成标识站点的路径及工作模式序列。  仿真实验结果有力验证了本文提出的自主探索算法的有效性及实用性,对月面巡视器任务规划研究具有一定的理论意义和实际应用价值。
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