基于多智能体系统的多航天器编队分布式姿态协同控制

多航天器编队飞行在深空探测及协同对地观测等领域有着重要应用,而多航天器的姿态跟踪及协同控制技术作为其关键技术之一也引起了极大的关注。近年来,随着分布式人工智能技术的发展,多智能体系统(MASs)受到了航天器控制领域学者的关注并将其应用到多航天器编队控制中。本文回顾了多智能体系统协同控制及其在多航天器编队姿态协同控制中应用的研究进展。首先,从多航天器编队不同控制需求出发,分别从一致性跟踪控制、有限时间控制、事件驱动控制方面,回顾了多智能体系统协同控制问题的进展;其次,回顾了多航天器姿态协同控制在上述需求方面的研究进展,并基于多智能体系统的协同控制理论,提出了相应的分布式姿态协同控制策略。     

多智能体机器人系统的合作编队行为研究

本文建立了多智能体机器人系统合作编队的数学模型，并分析了它的特点；引入“队形向量”控制多个智能机器人能够编队包围捕获“入侵者”；提出了一个通信协调模型以解决系统的冲突和掉队问题；给出了系统的仿真结果。     

行星表面多漫游器编队探测系统的分布式H_∞控制器设计

针对编队探测中星表路面不平带来的不确定干扰,提出一种基于虚拟领航者的多智能体编队H∞控制器设计算法。应用图论中的相关定义及其性质,描述漫游器编队中各智能体之间的通信拓扑关系,由此建立以虚拟领航者和跟随者为对象的智能体编队系统齐次线性数学模型及运动方程,并将漫游探测中不平的星表路面作为不确定干扰。对编队系统模型分析有限时间有界性及有限时间稳定性,给出设计H∞控制器的一个多步算法。仿真试验表明本文提出的算法可以使编队位置和速度误差快速收敛到零,校验了该算法的有效性。     

一种考虑最优收敛时间的多无人机编队控制方法

针对多无人机编队过程中的收敛时间问题,提出了一种基于最优控制和粒子群优化算法的一致性编队控制方法。将无人机机动约束和一致性编队控制算法结合,实现了无人机在约束条件下的编队控制。基于人工势场思想,设计了一种具有机间避碰能力的一致性编队控制方法,解决了无人机之间的碰撞问题。通过最优一致性控制和粒子群优化算法优化一致性编队控制方法,在考虑机间避碰的情况下,使整个编队的收敛时间降低1.2 s,整体收敛性能提升6.28%。仿真结果表明该方法能够缩短多无人机的编队收敛时间。     

卫星编队的多冲量轨道机动路径规划方法

基于多冲量轨道机动控制,研究应用微小推力发动机来实现卫星编队轨道机动控制的方法。首先简单介绍轨道机动控制的多冲量次优解的求解方法,并把此方法的改进算法应用于卫星编队的整体轨道机动控制;为降低单次冲量值,应用小推力发动机实现轨道机动,提出了卫星编队多冲量轨道机动的路径规划方法,这种方法把一个多冲量轨道机动过程分成多个来实现;最后,数值仿真结果表明:该方法简便、实用,可以解决单次冲量值过大而不易实现的问题,同时对于轨道摄动因素的影响具有鲁棒性。     

复杂不确定性下多无人机的抗扰时变编队控制

针对存在不确定非线性动态和外部时变干扰的多无人机系统的时变编队问题，提出了基于扩张状态观测器(ESO)的抗扰编队控制方法。首先建立了分布式ESO来估计多无人机系统的不确定性，基于ESO的输出提出了抗扰编队控制律，并提出一套算法来对控制律进行参数选定。然后，通过分析得到基于该控制律下，多无人机系统实现抗扰时变编队所需要的充要条件，并最终严格证明了在满足编队充要条件和基于提出的控制律下，多无人机系统可以稳定实现抗扰时变编队。最后仿真结果表明理论方法的有效性。     

基于Sarsa(λ)强化学习的空间机械臂路径规划研究

针对目标特性未知的在轨操作环境，研究了典型空间操作机械臂的路径规划策略。采用Sarsa(λ)强化学习方法实现目标跟踪及避障的自主路径规划与智能决策，该方法将机械臂系统的每节臂视为一个决策智能体，通过感知由目标偏差和障碍距离程度组成的二维状态，设计符合人工经验的拟合奖赏函数，进行各臂转动动作的强化训练，最终形成各智能体的状态-动作值函数表，即可作为机械臂在线路径规划的决策依据。将本方法应用于多自由度空间机械臂路径规划任务，仿真结果表明新算法能在有限训练次数内实现对移动目标的稳定跟踪与避障，同时各智能体通过学习所得的状态-动作值函数表，具备较强的后期在线自主调整能力，从而验证了算法较强的鲁棒性和智能性。     

推力方向受限条件下的编队构型变结构控制

精密构型保持控制是编队飞行的关键技术,滑模变结构控制方法是实现近地轨道紧密编队鲁棒控制的有效方法.编队动力学系统存缺少径向控制输入情况下,仍是可控的.针对这一特性,进行了推力方向受限条件的编队构型变结构控制.提出了利用保性能控制原理的鲁棒的滑动面设计方法,实现了模型不确定不匹配系统的变结构控制,结合J2摄动力和编队状态的关系式,解决了缺少径向控制情况下编队构型控制系统模型不确定和干扰不匹配问题.仿真结果表明,所提方法可以实现无轨道径向推力编队构型保持的鲁棒控制.     

编队飞行卫星的自适应姿态协同控制

研究了双星编队飞行系统的姿态控制问题.在卫星转动惯量参数不确定下,给出两种编队飞行卫星的自适应姿态协同控制算法.第二种自适应协同控制算法,在实现对转动惯量参数的实时辨识的同时,还能够解决控制输入饱和问题.通过李亚普诺夫方法证明了编队飞行系统全局渐近稳定性.最后对给出的算法进行了数值仿真.结果表明,所设计的控制算法实现了编队卫星之间的姿态协同控制,是可行的、有效的.     

多航天器编队在轨自主协同控制研究

提出一种基于信息一致性的分布式协同控制策略,该策略可自主实现多航天器编队 的 构型建立、保持与整体机动。在该策略中,编队内各航天器均具有局部的分层控制结构：参 考点一致性估计层根据各航天器初始状态与编队内信息拓扑,协商估计出多航天器编队整体 系统基准参考点;协同制导层根据编队整体系统模型预测控制方程,采用并行计算方式,规 划各航天器从初始状态到期望构型的期望重构机动路径;协同控制层采用基于二阶一致性算 法的协同反馈控制律,使各航天器彼此协同地跟踪期望路径和整体机动参考信息。仿真结果 表明:当信息拓扑中存在最大生成树时,该策略能够实现多航天器编队构型建立、保持与整 体机动的协同控制,并具有较好鲁棒性。〖JP〗