一種面向複雜月面工況的無人自主自適應鑽進方法與流程
2023-06-22 09:00:41
本發明涉及深空探測領域，特別是一種面向複雜月面工況的無人自主自適應鑽進方法。
背景技術：
隨著現代科技的進步，人類目前已經有能力達到地球以外的天外星體。天外星體的深空探測對人類開展探索地球生命起源、研究恆星演化和恆星與行星形成關係等具有重大科學意義。在此條件下，國際上的主要航天國家都開展或計劃開展各種深空探測項目，特別是各種星壤採樣返回任務，星壤採樣任務的難點與星壤的性質關聯很大，特別是在深層月壤鑽取採樣任務中。
實際月壤的形成主要受物理破碎作用控制，隕石和微隕石撞擊在其中起主導作用。由於隕石撞擊產生高溫熔融及破碎作用，月壤中常含有玻璃球、粘結顆粒，以及玄武巖、角礫巖碎塊等，顆粒組成較為複雜。實際月壤呈現以下典型性質：(1)月壤無水錶現出較強的散體顆粒性質；(2)密實度高；(3)月壤級配複雜不確定性高，不同著陸區域模擬月壤有很大差異性。
國際上通常採用螺旋鑽具迴轉和進行動作實施月壤鑽進取樣任務，然而對某一確定狀態的螺旋鑽具，一個固定的迴轉和進尺參數只能保證月壤狀態波動一定範圍內正常鑽進取樣，高密實度和大內摩擦角下可允許的月壤狀態波動範圍進一步縮小。面對實際月面不確定性複雜月壤工況，無人月面採樣任務中需要採用一種自動辨識和參數匹配方法，達到針對不確定月面工況的無人自主自動採樣。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種面向複雜月面工況的無人自主自適應鑽進方法，與現有技術相比能夠自動識別月壤工況進而自動匹配相應鑽進參數，提高了月面取樣可靠性，降低月面取樣成本。
本發明的技術解決方案是：一種面向複雜月面工況的無人自主自適應鑽進方法，包括如下步驟：
(1)將可選擇的螺旋鑽具鑽進參數組合按照容易鑽進模擬月壤組合中模擬月壤的程度進行排序，獲得包括多個鑽進參數組合的第一結果；所述的鑽進參數為螺旋鑽具迴轉檔位、進尺檔位的組合；所述的模擬月壤組合包括多種標準的模擬月壤；
(2)根據螺旋鑽具進尺驅動機構的驅動能力、安全裕度，設定第一結果中各個鑽進參數組合的鑽進力載判斷閾值，並作為第二結果；
(3)獲取當前需要鑽進的實際工況月壤，根據第一結果中的多個鑽進參數依次對實際月壤進行鑽進，並使用第二結果中的鑽進力載判斷閾值進行判斷，直至完成實際月壤鑽進取樣，並生成第三結果；所述的第三結果包括完成實際月壤鑽進最終使用的鑽進參數及當前鑽進參數對應的標準的模擬月壤。
所述的將可選擇的螺旋鑽具鑽進參數組合按照容易鑽進模擬月壤組合中模擬月壤的程度進行排序，獲得包括多個鑽進參數組合的第一結果的方法包括如下步驟：
(1)根據螺旋鑽具迴轉檔位M檔、進尺檔位N檔形成M×N種鑽進參數組合，然後設定L種標準的模擬月壤{S1,...,SL}，採用M×N種鑽進參數組合控制螺旋鑽具對L種標準的模擬月壤開展M×N×L組鑽取試驗，得到M×N×L組試驗數據；所述的試驗數據包括鑽進力載、取樣量；
(2)對M×N×L組試驗數據中的鑽進力載進行平滑處理、取樣量進行統計，然後按照平滑處理的鑽進力載大小對M×N種鑽進參數進行排序，當鑽進力載相等時，對應取樣量較大的鑽進參數放置在對應取樣量較小的鑽進參數前；進而得到鑽進參數序列{A1,...,AM×N}，並作為第一結果。
所述的根據螺旋鑽具進尺驅動機構的驅動能力、安全裕度，設定第一結果中各個鑽進參數組合的鑽進力載判斷閾值，並作為第二結果的方法包括如下步驟：
(1)將螺旋鑽具進尺驅動系統的驅動力作為鑽進參數組合Ai運行進尺力載的最高上界Fsup，選擇安全裕度η，進而得到鑽進參數組合Ai的鑽進力載判斷閾值Fisup為
Fisup＝Fsup/η；其中，安全裕度η為1.5
(2)對於鑽進參數組合序列{A1,...,AM×N}中前1/3的鑽進參數組合Ai，修正其判斷閾值Fisup為
Fisup＝Fsupγ/η，其中，γ∈(0,1)；將所有鑽進參數組合Ai對應的鑽進力載判斷閾值組合得到第二結果。
所述的獲取當前需要鑽進的實際工況月壤，根據第一結果中的多個鑽進參數依次對實際月壤進行鑽進，並使用第二結果中的鑽進力載判斷閾值進行判斷，直至完成實際月壤鑽進取樣，並生成第三結果的方法包括如下步驟：
(1)獲取當前需要鑽進的實際月壤，依次使用鑽進參數組合{A1,...,AM×N}中鑽進參數對實際月壤進行鑽進；
(2)如果採用鑽進參數組合Aj工作，螺旋鑽具的鑽進力載大於則轉入步驟(3)，如果採用鑽進參數組合Aj工作，螺旋鑽具的鑽進力載不大於則使用鑽進參數Aj進行實際月壤的鑽進並完成鑽進採樣，將鑽進參數Aj及鑽進參數Aj對應的標準的模擬月壤作為第三結果，其中，j的初值為1；
(3)j＝j+1，轉入步驟(2)，直至生成第三結果，並完成實際月壤的鑽進採樣。
本發明與現有技術相比的優點在於：
(1)本發明方法通過對鑽進參數組合進行排序，解決了螺旋鑽具對月壤的鑽進取芯性能評價問題，從鑽進取樣角度將鑽進參數與月壤狀態系統關聯，簡單有效，具有很好的使用價值；
(2)本發明方法通過月壤狀態識別算法和鑽進參數匹配方法，解決了實際月面工況不確定與螺旋鑽具鑽進取樣性能依賴月壤狀態的矛盾，具有很好的普適應。
附圖說明
圖1為本發明一種面向複雜月面工況的無人自主自適應鑽進方法原理圖；
圖2為本發明一種面向複雜月面工況的無人自主自適應鑽進方法流程圖；
圖3為本發明方法中鑽進參數組合排序方法流程圖；
圖4為本發明方法中月壤狀態識別邏輯流程圖。
具體實施方式
本發明針對現有技術的不足，提出一種面向複雜月面工況的無人自主自適應鑽進方法，，與現有技術相比能夠自動識別月壤工況進而自動匹配相應鑽進參數，提高了月面取樣可靠性，降低月面取樣成本，下面結合附圖對本發明方法進行詳細說明。
如圖1為本發明一種面向複雜月面工況的無人自主自適應鑽進方法原理圖，面向複雜工況的無人自主自適應鑽進取樣方法原理包括：
(1)將可選擇的鑽進參數組合按照容易鑽進的程度進行排序，獲得第一結果；
(2)按照產品允許驅動能力及足夠的安全裕度，設定各鑽進參數組合下的判斷閾值，獲得第二結果；
(3)通過第一結果和第二結果，針對某一不確定工況月壤，形成月壤狀態識別算法，得到第三結果；
(4)通過第三結果，根據第三結果識別出的月壤狀態，形成鑽進參數匹配算法包括，獲得第四結果。
(5)自適應控制算法程序化及無人自主自適應月面採樣。
本發明方法提供的初始條件包括一套螺旋鑽具，一套驅動系統，實際月面月壤狀態包絡範圍及相應標準模擬月壤。通過以上初始條件，在月面工作過程中針對不確定工況的月壤，自動識別月壤狀態並匹配相應驅動參數，實現月面無人自主自適應鑽進取樣，如圖2所示為本發明一種面向複雜月面工況的無人自主自適應鑽進方法流程圖。為實現上述目的，提供一種面向不確定性月面面工況的螺旋鑽具自動鑽進取樣方法，並採用如下技術路徑：
更具體的，步驟(1)可通過圖3進一步的闡明，首先根據螺旋鑽具的驅動系統設定的迴轉檔位M檔和進尺檔位N檔形成M╳N種鑽進參數組合；根據實際月面工況，設定L種標準的模擬月壤{S1,...,SL}，要求以上L中標準月壤工況能代表實際月壤工況特性；製備L中模擬月壤，採用M╳N種鑽進參數控制系統驅動鑽具開展M╳N╳L組鑽取試驗；對試驗數據進行處理，其中，對鑽進力載進行平滑處理，對取樣量進行統計；按照平滑後鑽進力載的大小進行排序，其中對同樣鑽取月壤對象，力載較大者排前；對差別不容易區分部分按照取樣量進行排序，取樣較高或能夠取到月壤樣品種類較多者排前面；最終形成一種越靠前越能取到樣品，越靠後鑽進力載越來越小的鑽進參數組合序列{A1,...,AM×N}，獲得第一結果。
更具體的，步驟(2)可進一步說明：照產品允許的加載驅動能力及足夠的安全裕度，設定各鑽進參數組合下的判斷閾值包括：將鑽具進尺驅動系統的能力作為每種鑽進參數組合Ai下允許運行進尺力載最高上界Fsup，在合理選擇安全裕度η條件下，鑽進參數組合Ai下設置的閾值Fisup應該滿足ηFisup≤Fsup，一般選擇Fisup＝Fsup/η；對於鑽進參數組合序列中比較靠前的鑽進參數組合Ai，與其匹配的月壤狀態中正常鑽進取樣的力載Finor一般與Fsup/η相差較大，此時可以取Fisup＝Fsupγ/η，其中γ∈(0,1)，Fisup作為鑽進參數組合Ai下的鑽進力載判斷閾值，得到第二結果。
更具體的，步驟(3)可通過圖4的具體實施例進一步的闡明：正對某一不確定月壤工況的月壤，首先嘗試採用鑽進參數組合序列{A1,...,AM×N}中的鑽進參數組合A1，如果A1能驅動鑽具實現正常鑽進取樣，當前鑽進月壤即為與A1對應的月壤狀態；如果一段時間後鑽進力載超過第二結果確定的鑽進力載閾值F1sup，則鑽進驅動參數調整為A2；在鑽進參數組合A2工作狀態下繼續觀察鑽進力載，如果力載仍然超過A2對應的鑽進力載閾值鑽進驅動參數調整為A3；依次類推，知道鑽進驅動參數調整至Ai，鑽進力載控制在Fisup以下，此時確定當前鑽進月壤工況為如果最終鑽進參數調整至AM×N，則當前月壤狀態為AM×N正常取樣所對應的月壤狀態，得到第三結果。
更具體的，步驟(4)可進一步說明：月壤狀態及與之相對應的鑽進參數組合Ai，如果已經識別出來，則系統鑽進參數維持在鑽進參數組合Ai；月壤狀態正在被識別過程中；分別採用A1，A2，...Ai-1短時間工作，一旦鑽進力載大於Fisup，鑽進檔位自動切換至鑽進參數序列中下一個值檔位，得到第四結果。
更具體的，步驟(5)可進一步說明：將第三結果和第四辨識邏輯及月壤參數匹配算法實現過程軟體編程，得到面向複雜月壤工況的無人自主自適應鑽進軟體，驅動鑽具工作，最終在無人自主條件下實現了不確定工況月壤自主自適應鑽進。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。