A pin-point soft landing with a low touch-down velocity is critical for a lunar lander in the terminal landing phase, particularly with respect to scientific exploration missions. However, the main descent thruster of the lander is usually equipped on one side along the body axis while reaction thrusters for attitude control are fixed in three axes. This causes the translational dynamics and the rotational dynamics of the lunar lander to be mutually coupled. In this study, a new force-torque sequential control law is introduced to resolve the coupling effect. To further improve the coupled motion, a virtual landing trajectory augmented control law was designed. The virtual trajectory is represented as a virtual quaternion and augmented as a command to the lander’s position update using the dual quaternion. A combined augmented landing control algorithm is newly proposed to incorporate the virtual trajectory commands into the force-torque sequential control law. Numerical simulation results with some cases by the Monte Carlo method show that the designed augmented control system enables a terminal soft landing with less fuel consumption.
달 탐사임무가 달과학연구로 중점화 되면서, 목표지점에 정확한 위치의 연착륙을 해야 하는 착륙조건이 달착륙의 최종단에서의 요구조건으로 정의되고 있다. 그러나 달착륙선의 진행 속도를 제어하기 위한 주 추력기와 자세를 제어하기 위한 자세제어용 추력기가 작동할 때, 병진운동과 회전운동간의 연동된 영향을 초래하기에, 정밀한 착륙제어를 하기에는 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해, 본 논문에서 순차적 위치/자세제어기를 설계하고, 착륙지에서 연착륙을 위한 수직착륙을 하기위해 듀얼 쿼터니언의 개념을 활용하는 착륙제어기술을 소개하고 있다. 듀얼 쿼터니언은 병진운동과 회전운동을 결합하여 표현한다는 특성이 있다. 듀얼 쿼터니언의 회전운동을 표현하는 리얼파트인 쿼터니언을 착륙선의 궤적의 거동으로 간주하고, 이를 착륙선의 가상궤적으로 제어하도록 하였다. 또한, 듀얼 쿼터니언의 리얼파트인 쿼터니언의 목표값을 착륙진입각으로 수렴할 수 있도록 제어하고, 착륙선의 위치벡터와 가상궤적의 쿼터니언의 멀티플리케이션으로 착륙선의 실제 이동경로에 가상궤적이 적용될 수 있도록 듀얼 쿼터니언의 듀얼 파트를 사용하였다. 이를 바탕으로 착륙선의 가상궤적의 정보가 녹아 있는 위치제어기와 자세제어기와 결합한 통합형 착륙제어기를 설계하였다. 본 제어기로 목표 착륙지점에 착륙할 때, 착륙지 정밀도와 연착륙을 위한 수직방향으로의 착륙이 이루어 지는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 또한, 착륙시, 임의의 착륙지로 선회해야 할 때, 듀얼 쿼터니언 제어기의 운동 특성에 의한 곡선형태의 궤적으로 선회하며 연착륙을 위한 하강진입각 제어와 연료 소모량 측면에서 보다 괜찮은 결과를 보여주고 있다.
가상궤적의 정보가 착륙선의 위치벡터와 결합된 것이 듀얼 쿼터니언 제어기의 운동특성을 반영하고자 한 것이다. 다시 말하면, 위치제어기의 고정상수 이득을 가상궤적 정보가 위치벡터와 결합되어 위치제어기의 고정이득을 변화시킴으로써 제어기 특성을 강화하는 역할을 하고자 한 내용이다.
