多航天器系统分布式姿态协同预设性能控制

得益于在执行空间飞行任务中具有较高的灵活性和可靠性,多航天器编队系统受到广泛关注。针对航天器编队系统姿态协同控制问题,提出了一种固定时间收敛的分布式姿态协同预设性能控制方法。首先,基于修正罗德里格斯参数构建航天器的相对姿态动力学模型,并采用固定时间收敛的预设性能函数包络定量描述姿态误差方程的瞬稳态性能;其次,在预设性能控制框架下设计了多航天器姿态协同控制器,并给出控制器的稳定性证明;最后,通过多航天器姿态协同稳定算例与姿态跟踪控制算例仿真验证了所提方法的可行性与有效性。     

基于参数寻优的航天器编队反步滑模协同控制

针对航天器编队在推力约束和通信约束下的相对位置协同控制问题,给出一种参数寻优下的反步滑模协同控制方法,实现了航天器编队的位置跟踪控制。基于非线性的相对动力学方程,考虑控制器推力约束和编队航天器之间的通信限制,利用图论知识,设计反步滑模协同控制器,并采用基于模拟退火的粒子群算法对控制器参数进行寻优,最后通过仿真验证控制算法的有效性。仿真结果表明,与一般的滑模控制相比,本文的控制方法具有更好的位置跟踪性能,可以实现卫星编队对参考轨迹的跟踪控制,具有较好的抗干扰能力。     

基于预设性能的多巡航飞行器编队飞行控制方法

针对多巡航飞行器的编队跟踪问题展开研究,基于预设性能控制思想和编队控制理论,提出了一种分布式编队控制方案。首先,根据巡航飞行器三自由度的编队模型,引入虚拟控制输入,完成对模型的解耦,并利用预设性能控制的框架,推导出虚拟控制输入的表达式,来实现期望编队跟踪。在此基础上,为了得到实际控制输入,实现对虚拟控制输入的快速、准确跟踪,基于预设性能控制,提出了一种扰动补偿反馈控制律,使得闭环系统在任意初始条件下都具有全局指定时间稳定性。仿真结果表明,所设计的算法能够实现高精度的编队跟踪,在指定时间内实现并保持期望的编队构型。     

电磁航天器编队位置跟踪自适应协同控制

通过引入一致性理论针对电磁航天器编队相对位置协同控制问题设计了自适应协同控制器。分析了电磁航天器编队的基本原理,建立了电磁航天器编队相对运动精确的非线性动力学方程。基于电磁力远场计算模型的不确定性,对相对运动动力学模型进行了修正。在电磁力计算模型不确定和航天器间存在通信时延的条件下,对位置跟踪控制的目标设计了自适应协同控制器。考虑到电磁航天器磁矩产生能力的不同,给出了通过优化进行磁矩分配的方案。通过仿真表明:所设计的自适应协同控制器不仅实现了对期望轨迹的准确跟踪,而且相比人工势函数法,暂态维持编队构型的能力提高了4.9倍,并且所给出的磁矩分配方案实现了磁矩的合理分配。     

基于网络同步的航天器编队飞行姿态控制方法

航天器编队飞行需要协同控制系统进行统一的协调管理,以实现协同工作。文章将网络同步控制理论应用于航天器编队飞行姿态控制,以提高航天器编队飞行姿态控制的协同性。首先,采用修正的罗德里格斯参数描述航天器姿态动力学;然后,基于网络同步控制算法,设计航天器编队飞行的非线性姿态协同控制律;考虑成员航天器间姿态变化的差异,采用混合控制技术,设计航天器编队飞行混合控制策略。仿真结果验证了控制方法和控制律的有效性,并且相比单一反馈机制,混合控制具有更好的控制品质。     

电磁航天器编队悬停鲁棒协同控制方法

针对电磁航天器编队近地轨道悬停问题,提出一种在缺少参考轨道准确信息时的协同控制方法。用TH方程描述航天器间的相对运动,选择与参考轨道同周期的圆轨道为标称轨道。将参考轨道相对于标称圆轨道的偏差、地球非球形引力、大气阻力及其他天体引力等参数单独归类,视其为不确定量,构成不确定系统。通过引入一致性理论,在电磁作用模型和动力学方程均存在不确定性的条件下,针对航天器编队悬停的目标设计了鲁棒协同控制律。考虑能量消耗最优和均衡以及轨道姿态解耦,给出了通过优化进行磁矩配置的方案。仿真结果表明,所设计的鲁棒协同控制律能够实现编队电磁航天器高精度悬停,所给出的磁矩配置方案能够实现磁矩的合理分配。      

基于CGAPIO的航天器编队重构路径规划方法

针对航天器编队重构的路径规划问题,考虑燃料消耗和碰撞概率等约束条件,以及基本鸽群算法存在的问题,提出一种基于混沌初始化和高斯扰动的自适应鸽群(CGAPIO)算法。为了得到多样性和覆盖性更好的鸽群初始值,采用Tent Map混沌模型进行鸽群初始化操作;在地图和指南针算子阶段,为提高全局搜索能力,引入了自适应的权重因子和学习因子更新个体的位置和速度;在地标算子阶段,为避免算法陷入局部最优,将高斯扰动加入到鸽群中心位置。仿真实验结果表明:CGAPIO算法与基本鸽群算法和粒子群算法相比,提高了全局搜索能力,避免了局部最优,规划得到的路径更加平滑,各航天器碰撞概率较低,编队重构消耗的总燃料至少减少了12%。      

电磁航天器编队动力学建模与运动规划方法

基于电磁航天器作用原理,利用拉格朗日方法,建立电磁航天器“绳系”动力学模型.基于偏差线性化动力学模型,以切向、径向编队为例,分析编队构型保持稳定性,设计构型保持控制律;将双星电磁航天器编队(EMFF,Electromagnetic Formation Flight)重构运动规划问题转化为标准优化问题,利用高斯伪谱优化方法进行求解.并提出序列控制策略,将该双星模型扩展应用于多星电磁编队构型重构问题,转化为多阶段运动规划问题利用多阶段优化方法进行求解.仿真结果表明本文的动力学建模方法和控制方法是可行的.      

双电磁航天器编队构型保持自适应控制

电磁航天器编队飞行是指利用若干个航天器之间的电磁力进行相对运动控制的新型编队飞行.分析了两颗电磁航天器编队飞行的相对运动的基本原理,基于能量消耗均衡性的考虑,给出了根据控制力求解其控制磁矩的解析解.基于极坐标建立了电磁航天器非线性相对运动动力学模型,从外界不确定干扰力和电磁计算模型的远场近似两个角度,分析了该动力学模型的参数不确定性.针对编队构型保持问题以及参数不确定性,设计了近地圆轨道上两颗电磁航天器编队构型保持的自适应控制律并进行了数值仿真分析.仿真结果表明:相对运动模型和自适应控制律是有效的,编队构型能够收敛到期望值,同时对不确定参数进行了准确的估计,说明利用星间电磁作用进行航天器编队构型保持是可行的.     

基于双层博弈的多臂在轨服务航天器路径规划

针对在轨服务多臂航天器系统高精度的位姿协同要求及其运动过程中的避障约束,提出一种基于机械臂末端（腕关节）和肘关节的双层博弈多臂路径规划方法。研究建立了多臂运动学模型,在博弈论基础上建立多臂的博弈模型;给出了双层博弈的基本算法流程及其纳什均衡解的求解策略;以动目标多臂围捕为场景进行仿真分析,验证所提出算法末端精确跟踪抓取和肘部避障能力的有效性和实用性。所得结果可为多臂在轨服务航天器的智能化路径规划与控制提供新的解决方案。     

高超声速飞行器预设性能反演控制方法设计

为解决吸气式高超声速飞行器的飞行控制问题,提出了一种新型预设性能神经反演控制器设计方法。通过构造预设性能函数,保证速度跟踪误差和高度跟踪误差能够按照预设的收敛速度、超调量及稳态误差收敛至期望的区域,同时满足系统预设的瞬态性能和稳态精度。在反演控制设计结构下,引入径向基函数（RBF）神经网络对模型未知函数及不确定项进行逼近,提高了控制系统的鲁棒性。引入的RBF神经网络中仅有一个参数需要在线更新,有效提高了控制准确性,避免了通常反演控制方法中经常出现的\"微分膨胀问题\",并降低了计算量。通过仿真实验验证了所设计控制系统的有效性和可行性。      

基于行为的非合作目标多航天器编队轨迹规划

目前航天器编队轨迹规划的研究并未综合考虑目标非合作性、构型复杂性及控制协同性等问题,针对非合作目标多航天器编队系统,提出了一种基于行为的相对运动轨迹规划方法。首先,基于聚集行为模型设计了期望运动场,将期望速度视为一系列具有不同行为特性的速度矢量和,通过构造平衡态构型公式计算行为调节参数。其次,采用高斯型环境函数描述了非合作目标特性,并通过C-W方程对期望运动场进行了改进,使得该方法在多航天器编队系统与非合作目标形成期望构型的过程中,既能避免编队成员之间发生碰撞,又能保证与非合作目标之间的安全距离。仿真结果表明,该算法可以使多航天器编队系统在3000s内运动至期望构型。该方法在复杂的、多个控制目标的编队飞行轨迹规划中优势明显,具有自主性、协同性、鲁棒性强等特点,同时可应用于不同类型的编队构型相对运动规划。     

基于代理模型的卫星编队重构最短距离建模

针对编队卫星成员数量较多时,编队重构规划考虑碰撞规避会带来巨大的计算开销。为降低计算开销和提升优化效率,基于CW方程和双脉冲轨道机动策略,建立了能够快速预测编队卫星重构过程最短距离的多种代理模型,并基于三种不同大小的训练集,从模型精度和效率两方面进行了对比。结果表明,克里金(KRG)模型在各种代理模型中精度最高,而且随着训练量的增加,KRG和人工神经网络(ANN)模型的性能得到了明显改善,模型精度得到了一定的保证。研究还发现,尽管KRG模型预测时间高于其他代理模型,但与真实模型相比,其耗时仍然很短,因此可用于提高考虑避碰约束时卫星编队重构轨迹优化的效率。     

基于人工势场的星群松散编队控制

利用低成本的微纳卫星组成星群协同执行空间任务,近年来引起了航天界的广泛关注.针对星群松散编队控制任务,将人工势场法和基于相对运动动力学方程的速度反馈控制相结合,在各颗卫星和目标之间构造吸引势场,在各颗卫星之间建立基于位置信息的避碰势场,在空间障碍物附近建立避障势场,同时引入速度反馈控制律,综合实现星群松散编队控制,并通...     

基于诱导航线的多无人机编队飞行控制方法

针对无人机编队飞行控制问题,提出了一种基于诱导航线的协同控制方法,僚机根据当前相对于期望位置的误差和长机的飞行状态生成诱导航线并进行跟踪;针对飞行过程中的突发障碍采用改变编队队形的方法进行规避;针对无人机之间可能出现的碰撞情况,根据无人机到达碰撞点的时间以及位置分别从高度以及航向两方面进行躲避,仿真结果表明:采用此方法无人机能够保持稳定的编队,并同时能够躲避飞行过程中的障碍以及避免飞机之间的碰撞。      

利用人工势函数法的卫星电磁编队控制

卫星电磁编队是指利用卫星之间相互作用的电磁力进行卫星相对运动控制,对控制律的要求主要是计算量小和能避免碰撞.以目标星对参考星的相对运动矢量作为控制对象,分析了使用电磁力控制卫星编队的可行性,结果是如果编队卫星磁矩能够任意控制,那么卫星相对运动也能完全控制.设计了人工势函数,以相对位置和相对速度矢量作为变量,人工势函数在达到控制目标时为最小值,在碰撞的位置具有局部最大值.设计的控制律能够实时调整控制参数,能够保证电磁线圈控制电流不至于饱和,以及人工势函数导数在控制过程中小于零.仿真表明,所设计的控制律能生成编队构型并避免碰撞,而且具有一定的抗干扰性.