四旋翼无人机风场扰动轨迹控制器设计

针对四旋翼无人机飞行时受风场扰动影响大的问题,以及在任务场景中对期望姿态角有约束的要求,提出了一种具有输出指令限制的自适应滑模位置控制器,将位置控制器指令转换成为期望姿态指令后,能够保证所生成的期望姿态有界,且能够有效抑制风场扰动对轨迹跟踪的影响.针对旋转矩阵形式表示的期望姿态指令,设计了一种SO(3)滑模姿态跟踪控制器,并分别用Lyapunov稳定性理论进行了分析,得到了全局稳定性的结论.最后进行了无人机在风场中盘旋爬升飞行的仿真,结果表明控制器具有较好的轨迹跟踪性能.     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入对航天器相对位置、姿态控制的需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿Z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

考虑输入饱和的两飞轮驱动航天器视线轴控制

 研究了非零初始整星角动量下两飞轮驱动航天器姿态机动控制问题,针对在两飞轮旋转轴平面外某一视线轴的指向控制,给出了目标姿态生成算法和一种抗输入饱和的视线轴指向滑模控制算法。首先,通过对两飞轮驱动航天器静止时的可行姿态进行分析,给出了视线轴指向目标方向的必要条件。然后,基于该条件得到了使视线轴与目标方向偏差最小的目标姿态。最后,对状态方程进行降维和线性化处理,设计了一种抗输入饱和的视线轴指向滑模控制算法。仿真结果展示了本文算法的可行性和有效性。     

存在物理约束的时变转动惯量航天器姿态控制

对存在角速度和控制输入有界的快速机动航天器姿态控制问题，设计了一种自适应双环姿态跟踪控制器。将虚拟有界角速度作为运动学方程的虚拟控制输入，使姿态控制问题降阶为角速度跟踪问题；构建递归自适应算法估计时变转动惯量及其微分，并基于障碍李亚普诺夫函数和线性回归算子，设计了角速度跟踪误差有界的变增益自适应姿态控制器。结果表明：该控制策略能使抓捕非合作目标航天器的姿态呈指数收敛到期望轨迹，且收敛轨迹不受外部干扰和抓捕瞬间的强干扰影响；在整个控制过程中，航天器的角速度小于0.4 rad/s，控制力矩小于10 N·m，满足了航天器对角速度和控制输入有界的物理限制。     

一种精确鲁棒的刚体航天器特征轴旋转控制策略(英文)

特征轴旋转表征了两个方位之间的最短角路径,通常被看做是一种拟最小时间的快速姿态机动策略。本文在动力学方程中考虑了外部扰动和系统参数不确定性,基于时变滑模控制技术(TVSMC)研究了刚体航天器特征轴旋转的鲁棒控制问题。首先,通过一个TVSMC算法揭示了所提出鲁棒特征轴旋转策略的主要特点,并且证明了全局滑模的特点和闭环系统的稳定性,给出了特征轴旋转的必要条件。然后,为了抑制全局抖振,提高控制精度,提出了一种基于扰动观测器的时变滑模控制(DOTVSMC)算法。其中,采用边界层方法来削弱抖振并设计了扰动观测器来补偿不期望的影响。在航天器的姿态表征参数选择上,采用了没有冗余性的修正罗德里格斯参数(MRP)。最后,采用数值仿真来验证提出方法的有效性,并采用调宽调频(PWPF)技术来调制开关推力器。     

引入姿态误差的中继跟踪预报

航天器的姿态控制误差是客观存在的,由于中继终端跟踪能力有限,在某些情况下,姿态误差会导致跟踪中断,从而造成测控资源的浪费并影响正常执行任务。针对姿态控制误差影响中继跟踪的问题,通过对简化姿态旋转矩阵求导,推导出姿态误差与中继终端框架角和角速度的转换关系,得到引入姿态误差的中继终端跟踪预报模型。利用该模型对某航天器中继跟踪情况进行仿真计算,表明：考虑姿态误差情况下,中继跟踪弧段比无扰动情况要短一些,跟踪时间减少的时段发生在天线方位轴与航天器到中继星连线的夹角较小的时候。     

航天器大角度特征轴机动的指数时变滑模控制(英文)

针对刚体航天器大角度姿态机动问题,研究了具有全局鲁棒性的特征轴机动控制策略。设计了一种指数时变的滑模面和相应的姿态机动滑模控制律,控制律使系统相轨迹从初始时刻起就始终处于滑动阶段,消除了传统时不变滑模控制的到达阶段,对外界扰动及参数不确定性具有全局鲁棒性,并实现了特征轴机动;通过Lyapunov定理证明了提出控制律的稳定性及全局滑模运动的存在性;利用全局滑模运动的特点得到系统任意时刻状态的解析表达式,表明姿态误差响应无超调,系统具有良好的动态性能。进一步考虑了控制力矩饱和问题,利用力矩指令调节器在避免控制力矩饱和的同时保证特征轴机动的特点。最后通过数值仿真验证了控制律的优点。     

基于旋转矩阵的预设时间航天器编队姿态协同控制

由多个航天器组成的编队系统对复杂的环境往往具有较高的适应性和容错性，能更高效率地完成单航天器难以完成的任务。因此主要针对多航天器系统的姿态协同控制问题，提出一种基于旋转矩阵的预设时间控制算法。首先，为了避免航天器姿态建模的奇异性和模糊性问题，采用旋转矩阵对航天器的姿态进行统一描述，同时结合有向的通信拓扑对航天器姿态协同控制系统进行建模。其次，为赋予系统可控的收敛速度，提出一种基于滑模的预设时间控制算法。该算法的引入使得航天器编队系统的收敛时间可以在合理的范围内任意给定。此外，为了实现系统对参数摄动和外部干扰的鲁棒性，采用神经网络和自适应算法对不确定性进行在线估计与补偿。最后，通过理论分析和数值仿真验证了所提预设时间控制算法的有效性。     

基于高增益观测器的四旋翼无人机轨迹跟踪控制

为了实现四旋翼无人机对给定姿态的快速跟踪,基于Terminal滑模控制方法设计了一种四旋翼无人机的姿态控制器,在设计滑模面时引入非线性函数来保证跟踪误差在有限时间内收敛。考虑在线速度未知的情况下,通过设计高增益观测器来对无人机速度进行观测,并利用所观测的信号设计位置控制器。最后利用Lyapunov理论证明了系统的稳定性。仿真结果表明,四旋翼无人机在线速度不可测的情况下,仍可进行轨迹跟踪控制。     

基于新型终端滑模的航天器执行器故障容错姿态控制

针对受干扰的刚体航天器冗余执行器存在故障与控制受限的姿态跟踪控制问题,提出一类基于新型指数形式的非奇异快速滑模面（ENFTSM）与趋近律的姿态容错控制器设计方法。当部分推力器发生故障时,假设剩余推力器具有输出饱和特性且能提供足够推力保证航天器执行任务,相比一般终端滑模控制器,本文设计的控制器不仅能使系统状态以更快的速度到达平衡点,且不需要在线对执行器故障信息进行检测和分离。基于Lyapunov方法证明本文设计的控制器能保证闭环系统稳定,且能有效地抑制外部干扰、控制受限和执行器故障等约束。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,其结果表明了该控制器的有效性。     

基于新型终端滑模的航天器执行器故障容错姿态控制简

 针对受干扰的刚体航天器冗余执行器存在故障与控制受限的姿态跟踪控制问题,提出一类基于新型指数形式的非奇异快速滑模面（ENFTSM）与趋近律的姿态容错控制器设计方法。当部分推力器发生故障时,假设剩余推力器具有输出饱和特性且能提供足够推力保证航天器执行任务,相比一般终端滑模控制器,本文设计的控制器不仅能使系统状态以更快的速度到达平衡点,且不需要在线对执行器故障信息进行检测和分离。基于Lyapunov方法证明本文设计的控制器能保证闭环系统稳定,且能有效地抑制外部干扰、控制受限和执行器故障等约束。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,其结果表明了该控制器的有效性。     

基于终端滑模的航天器自适应预设性能姿态跟踪控制

针对航天器姿态跟踪控制的快速性需求,提出一类自适应终端滑模有限时间控制方法,通过引入饱和函数解决了终端滑模控制器的奇异问题,并结合实际有限时间稳定概念显式地给出了系统状态收敛时间和收敛范围之间的对应关系;为在提高系统鲁棒性的同时避免控制器抖振,设计了一种新型自适应律估计并补偿未知环境干扰。进一步地,针对如遥感卫星对地扫描成像等姿态跟踪任务中存在的状态约束问题,通过在控制器中引入具有对数形式的预设性能项,使系统滑模面响应具有期望的动态过程,约束了航天器姿态跟踪误差及其一阶导数的变化范围。仿真结果表明,设计的控制器具有较高的控制精度和响应速度,满足实际任务对状态约束的需求,且其控制输出不存在奇异和抖振,具备良好的工程应用价值。     

刚体航天器姿态跟踪的时变滑模控制(英文)

To solve the problem of attitude tracking of a rigid spacecraft with an either known or measurable desired attitude trajectory, three types of time-varying sliding mode controls are introduced under consideration of control input constraints. The sliding surfaces of the three types initially pass arbitrary initial values of the system, and then shift or rotate to reach predetermined ones. This way, the system trajectories are always on the sliding surfaces, and the system work is guaranteed to have robustness against parameter uncertainty and external disturbances all the time. The controller parameters are optimized by means of genetic algorithm to minimize the index consisting of the weighted index of squared error （ISE） of the system and the weighted penalty term of violation of control input constraint. The stability is verified with Lyapunov method. Compared with the conventional sliding mode control, simulation results show the proposed algorithm having better robustness against inertia matrix uncertainty and external disturbance torques.     

Coordinated attitude control for flexible spacecraft formation with actuator configuration misalignment

This paper investigates the coordinated attitude control problem for flexible spacecraft formation with the consideration of actuator configuration misalignment. First, an integral-type sliding mode adaptive control law is designed to compensate the effects of flexible mode, environmental disturbance and actuator installation deviation. The basic idea of the Integral-type Sliding Mode Control (ISMC) is to design a proper sliding manifold so that the sliding mode starts from the initial time instant, and thus the robustness of the system can be guaranteed from the beginning of the process and the reaching phase is eliminated. Then, considering the nominal system of spacecraft formation based on directed topology, an attitude cooperative control strategy is developed for the nominal system with or without communication delay. The proposed control law can guarantee that for each spacecraft in the spacecraft formation, the desired attitude objective can be achieved and the attitude synchronization can be maintained with other spacecraft in the formation. Finally, simulation results are given to show the effectiveness of the proposed control algorithm.     

A composite control scheme for attitude maneuvering and elastic mode stabilization of flexible spacecraft with measurable output feedback

This paper treats the question of attitude maneuver control and elastic mode stabilization of a flexible spacecraft based on adaptive sliding mode theory and active vibration control technique using piezoelectric materials. More precisely, a modified positive position feedback (PPF) scheme is developed to design the PPF compensator gains in a more systematical way to stabilize the vibration modes in the inner loop, in which a cost function is introduced to be minimized by the feedback gains subject to the stability criterion at the same time. Based on adaptive sliding mode control theory, a discontinuous attitude control law is derived to achieve the desired position of the spacecraft, taking explicitly into account the mismatched perturbation and actuator constraints. In the attitude control law, an adaptive mechanism is also embedded such that the unknown upper bound of perturbation is automatically adapted. Once the controlled attitude control system reaches the switching hyperplane, the state variables can be driven into a small bounded region. An additional attractive feature of the attitude control method is that the structure of the controller is independent of the elastic mode dynamics of the spacecraft, since in practice the measurement of flexible modes is not easy or feasible. The proposed control strategy has been implemented on a flexible spacecraft. Both analytical and numerical results are presented to show the theoretical and practical merit of this approach.     

Sliding-mode controller design for spacecraft attitude trackingmaneuvers

A robust sliding-mode control law that deals with spacecraft attitude tracking problems is presented. Two important natural properties related to the spacecraft model of motion are discussed. It is shown that by using these properties and the second method of Lyapunov theory, the system stability in the sliding mode can be easily achieved. The success of the sliding-mode controller and its robustness relating to uncertainties are illustrated by an example of multiaxial attitude tracking maneuvers     

航天器交会对接模拟系统逼近过程自抗扰控制

航天器交会对接地面模拟系统用于研究航天器交会对接过程的动力学、导航与控制等方面的相关问题。模拟器通过气浮轴承悬浮在大理石平台上来模拟太空的无摩擦微重力环境。通常情况下要保证大理石平台足够水平,由于实际平台不可能完全水平,模拟器的重力分量会使模拟器产生下滑现象,这种现象对大型地面模拟器设备尤为严重。针对模拟器的逼近过程设计了轨迹规划。为了减小测量信号噪声的影响,采用跟踪微分器(TD)对整个逼近过程中的测量信号进行滤波。针对逼近过程中模拟器存在下滑力等干扰问题设计控制器,通过扩张状态观测器(ESO)实时估计干扰量,进而对干扰量进行补偿。对模拟器冷喷气推力系统制定了推力器分配策略,采用脉冲宽度调制(PWM)技术实现对推力的近似等效。提出的控制方法应用于航天器交会对接地面模拟系统,实验结果表明所提出的控制方法能有效消除下滑力等干扰的影响。     

空间飞行器姿态的有限时间跟踪控制方法

 针对带不确定项的空间飞行器系统姿态跟踪控制问题，给出一种基于有限时间控制技术的滑模控制方法。使得姿态跟踪误差系统不仅可在有限时间内从任意状态到达滑动面，而且也可在有限时间内沿滑动面收敛到零，并给出了严格的数学证明。为了避免控制律中的颤动问题，一种新的饱和函数被用来代替控制律中符号函数。数值仿真实验说明了该方法的有效性。     

SE(3)上航天器姿轨耦合固定时间容错控制

针对相对运动航天器姿轨一体化控制问题,考虑执行器故障和控制输入饱和的影响,提出了一种基于滑模的模糊自适应固定时间容错控制方法。首先,在李群SE（3）的框架下建立并推导相对运动航天器姿轨一体化误差动力学模型;其次,引入执行器故障和控制输入饱和的问题,采用双幂次快速终端滑模面,并结合模糊自适应方法设计了固定时间稳定的容错控制器,可以实现执行器故障情况下相对运动航天器的高精度快速跟踪控制;然后,运用Lyapunov方法证明了系统的稳定性,该控制器不仅能不依赖于系统的初始状态实现滑模趋近和到达阶段的固定时间稳定性,而且由于采用模糊逼近方法结合自适应更新策略可以实时高精度地估计系统的总扰动信息,因此可以达到快速高精度的容错控制目标;最后,对所提出的的控制方法进行数值仿真分析,结果验证了该方法的有效性和可行性。