悬停阶段是月球着陆器软着陆过程中的一个重要环节,此阶段的主要任务是避障,着陆器通过对月球表面进行三维成像,从而判断此处是否为合适的着陆位置。着陆器需要在水平方向上进行若干次机动来寻找合适的着陆位置。着陆器在悬停的过程中需要对其位置和姿态等六自由度进行控制。虽然到目前为止,并非每一次探月工程都安排悬停阶段,但是悬停阶段的成功实现对于着陆位置的探测,着陆器的安全着陆,以及后续的探月任务的顺利进行都有着重要的意义。本文主要参考四旋翼飞行器的悬停控制,结合月球着陆器的飞行环境和动力装置的工作特征,对月球着陆器的悬停控制进行了研究。本文基于三个动力学建模的假设条件,应用牛顿—欧拉方法建立了月球着陆器悬停的六自由度动力学模型。并根据动力学模型,给出了着陆器的状态空间方程形式和控制系统的设计框图。本文参考了四旋翼飞行器的悬停控制给出了基于全驱动和欠驱动子系统的着陆器新的悬停控制方案。根据着陆器的动力学模型以及控制系统的设计框图,本文分别对全驱动子系统和欠驱动子系统进行了控制器的设计。在全驱动子系统中,给出了变结构控制方案,竖直方向的控制变量(高度和偏航角)分别由轨控发动机的推力和姿控发动机的控制力矩直接控制。在欠驱动子系统中,给出了变结构控制和推力矢量的联合控制方案。依据动力学方程,水平方向的线位移由姿态角度来进行控制,并将其视为虚拟的控制量,姿态角由姿控发动机的力矩和根据动力学方程得到的期望的姿态角进行控制。根据着陆器各动力装置的工作原理,给出了实际的控制推力和控制力矩。本文对以上两个控制系统都分别采用了变结构控制器和PID控制器分别进行了数值仿真。仿真结果表明,变结构控制器的仿真效果优于PID控制器的仿真效果,而且着陆器的下降和趋近过程比较平稳,无数值波动和静态误差。本文将全驱动和欠驱动系统的控制器进行了组合,对月球着陆器悬停进行了六自由度联合控制和数值仿真,并且与Apollo-11号、“嫦娥三号”着陆器和文献中的结果进行了对比。通过仿真的结果可以看出,本文给出的着陆器悬停控制方案达到了预期的悬停目标,可以满足悬停控制的要求。