航天器有限时间输出反馈姿态控制

研究在角速度不可测时航天器的有限时间姿态控制问题。基于有限时间控制技术,提出了由修正Rodrigues参数进行姿态描述的航天器输出反馈姿态控制算法。首先设计了单个航天器的输出反馈姿态控制器,在没有角速度反馈时也能够保证航天器姿态在有限时间内调节到期望姿态。之后,设计了无需绝对角速度和相对角速度信息的多航天器分布式输出反馈姿态控制器。使用Lyapunov理论和图论,对闭环系统全局有限时间稳定性进行了严格的证明。最后对提出的控制算法进行了数值仿真,其结果验证了所设计的航天器输出反馈控制算法的可行性和有效性。     

绕飞监测小卫星姿轨联合自适应控制研究

针对小卫星近距操作过程中轨道和姿态控制问题,建立了小卫星相对轨道和姿态的误差动力学模型。采用相对轨道和姿态联合控制策略,并考虑小卫星作业过程中质量和转动惯量的不确定性,设计了自适应输出反馈控制律,并证明了其稳定性。最后以对圆轨道目标星近距离环航为例,根据作业任务和姿态指向要求,设计了小卫星相对轨道和姿态的期望运动,应用所提出的控制策略及相应的控制律进行了数值仿真。结果表明,系统跟踪误差能够较快收敛,说明了控制策略的有效性。     

筒式偏心在轨分离角速度抑制方法

筒式偏心在轨分离是一类特殊的在轨分离问题,小卫星偏心安装而产生的分离力矩将导致分离角速度,进而影响小卫星的分离指向精度,甚至导致释放平台姿态失稳。而常规的姿态大角速度机动、姿态快速稳定控制方法难以在小卫星出筒前的极短时间内完成分离角速度抑制。因此,进行了卫星筒式偏心在轨分离动力学分析,基于分离角速度的产生,提出了抑制分离姿态干扰的前馈控制力矩法和角速度预偏置法。在此基础上,推导了关键控制参数的近似计算公式,给出了控制量的优化求解方法,并分析了控制干扰因素对抑制结果的影响。最后,通过仿真算例分析,对比验证了两种抑制方法的有效性,并给出了其工程应用的建议。     

基于变结构控制器的敏捷卫星姿态机动方法

随着遥感卫星观测能力的逐步提升,对卫星敏捷机动能力提出了更高的要求。针对敏捷卫星大角度姿态机动问题,以6个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成五棱锥构型的姿态控制系统执行机构,在构建敏捷卫星姿态运动数学模型以及设计SGCMG系统操纵律的基础上,对卫星绕Euler轴进行姿态机动的角轨迹进行规划,并设计了一种基于误差四元数与误差角速度的变结构控制器。仿真及在轨验证结果表明,该控制器能够完成规划轨迹的良好跟踪且具有较强的鲁棒性,研究成果对敏捷卫星姿态控制系统的设计具有重要的参考意义。     

小卫星主动磁控制地球捕获姿态控制系统设计

分析了小卫星捕获阶段的客观条件要求,重力梯度杆的指向要求,捕获阶段视为大角度机动问题,采用欧拉动力学和四元数方法描述,建立小卫星捕获阶段的动力学模型。控制器采用大角度机动拟 PD控制,拟PD控制器参数采用了简化分析和经验调试设计,同时分析设计了磁力矩器的磁偶极子,最后给出某小卫星姿态捕获仿真结果,经过几个轨道周期后可以实现一定精度的对地捕获,验证了本文的设计方法的可行性。     

质量矩固体推进微纳卫星自适应反演控制律设计

为解决微纳卫星利用固体火箭推进器进行快速轨道机动时的姿态翻滚问题,提出了利用质量矩技术对卫星的俯仰、偏航通道姿态进行稳定控制。首先考虑推进剂燃烧、质量块运动等因素引起的系统质量特性参数的变化,建立质量矩固体推进微纳卫星姿态动力学模型;然后分析了推进剂燃烧、质量矩控制引入的系统模型参数不确定性、连续有界未知干扰;随后基于反演控制方法,设计了卫星姿态角和姿态角速度双回路自适应滑模动态面控制器,利用自适应算法调节控制参数估计来补偿不确定因素的影响;基于Lyapunov函数证明了闭环系统的稳定性。最后,通过数值仿真验证了控制算法的有效性。     

输入饱和下多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制

研究有向通信拓扑结构下存在输入饱和时多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制问题。首先，针对只有部分航天器可以获得主航天器姿态和角速度状态信息问题，设计了一个固定时间主航天器状态观测器来观测主航天器状态信息。针对航天器无法测量自身角速度的情况，设计了一个固定时间航天器角速度观测器，实现了在固定时间内观测出航天器角速度信息。然后，基于固定时间主航天器状态观测器和固定时间航天器角速度观测器，设计一个固定时间输出反馈姿态追踪控制器，并证明了系统固定时间稳定性。此外，仿真结果也验证了所提控制策略的有效性。     

基于输出反馈的柔性航天器变结构跟踪控制方法

为解决柔性航天器姿态机动的控制问题,给出了基于输出反馈的变结构跟踪控制算法。针对柔性航天器的大角度机动,在建立了柔性航天器相对参考轨迹的动力学方程的基础上,设计了仅利用航天器本体的角度和角速度信息的变结构跟踪控制器,使得姿态状态跟踪误差(包括姿态跟踪误差和姿态角速度跟踪误差)以及挠性附件的模态变量从任意的初始状态出发都会到达包含原点的一个闭集内,并且姿态状态跟踪误差能收敛到零,并给出了严格的数学证明。仿真结果证明了所提控制方法的可行性和有效性。     

单兵火箭弹捷联导引滤波方法研究

为降低单兵制导火箭弹的成本,同时确保其具有较高的命中精度,进行了单兵火箭弹捷联导引滤波方法研究。首先,推导了视线角速度的解耦公式,去除了导引头测量信息中耦合的弹体姿态信息;然后,建立了视线运动方程和测量模型,为了解决测量信息与弹目距离和接近速度的弱相关性,使用一个时变Gauss-Markov随机向量代替视线运动方程中的非线性部分,采用UKF滤波方法得到可用于制导控制律设计的视线角速度的实时估计值;最后,通过正交仿真验证了所设计的单兵火箭弹捷联导引滤波方法的可行性。     

编队卫星分布式鲁棒饱和姿态协同控制

研究跟踪时变参考姿态情况下控制输入饱和的编队飞行卫星姿态协同控制问题.针对不同情形,通过恰当地利用双曲正切函数,提出3种连续有界的协同控制器.首先,在无外部扰动和参数不确定性的情况下,提出一种理想的饱和协同控制器.进一步,考虑角速度不可测量的情况,利用无源滤波器设计无角速度反馈的饱和协同控制器.当外部扰动和参数不确定性...     

刚体飞行器大角度机动的反馈非线性化控制

研究了刚体飞行器大角度的姿态控制问题,采用四元数描述刚体姿态,建立了刚体姿态运动的数学模型。基于反馈非线性化技术,通过构造李雅普诺夫函数推导出标量增益的线性控制律和矩阵增益的非线性控制律。两种控制律不需要知道系统参数,对模型误差具有鲁棒性。理论分析和仿真结果表明,所求控制律对闭环系统具有全局渐近稳定性。     

Exponential Time-varying Sliding Mode Control for Large Angle Attitude Eigenaxis Maneuver of Rigid Spacecraft

An eigenaxis maneuver strategy with global robustness is studied for large angle attitude maneuver of rigid spacecraft. A sliding mode attitude control algorithm with an exponential time-varying sliding surface is designed, which guarantees the sliding mode occurrence at the beginning and eliminates the reaching phase of time-invariant sliding mode control. The proposed control law is global robust against matched external disturbances and system uncertainties, and ensures the eigenaxis rotation in the presence of disturbances and parametric uncertainties. The stability of the control law and the existence of global siding mode are proved by Lyapunov method. Furthermore, the system states can be fully predicted by the analytical solution of state equations, which indicates that the attitude error does not exhibit any overshoots and the system has a good dynamic response. A control torque command regulator is introduced to ensure the eigenaxis rotation under the actuator saturation. Finally, a numerical simulation is employed to illustrate the advantages of the proposed control law.     

基于MRP的全局稳定的PID刚体姿态控制

针对刚性航天器姿态控制问题,建立了由修正Rodrigues参数(MRP)表示的混杂姿态模型,并基于此模型设计了一种具有迟滞特性的非线性比例-积分-微分(PID)切换控制器.该控制器包含一个对克里奥利力矩和期望机动力矩的前馈补偿项和一个用于消除轨迹跟踪误差的PID反馈项.通过一个特别的Lyapunov函数分析得到了全局渐...     

倾转三旋翼无人机纵向推力矢量控制研究

针对倾转三旋翼无人机纵向姿态控制问题开展研究,结合倾转三旋翼无人机构型的特殊性,提出了一种基于推力矢量控制的纵向姿态控制策略,同时基于新型的推力矢量控制方法设计了更高效的倾转三旋翼无人机操纵机制;采用牛顿-欧拉法对倾转三旋翼无人机进行动力学建模分析,通过对机翼采取分段分析的方法,设计了旋翼/机翼下洗载荷模型,并进行了仿真和实地飞行试验。试验结果表明,所提出的纵向姿态控制策略,能有效提高无人机飞行效率,具有更强的速度响应能力,提高了飞行过程中的可靠性和安全性。     

空间多刚体系统编队及姿态的协同综合控制

针对由多个非线性系统组成的多子系统的协同控制问题,给出了一种基于输出反馈的协同控制律的设计方法,并将其应用于空间多个刚体的编队控制和姿态的协同控制系统中,给出了空间多刚体系统编队控制及姿态协同控制问题有解的充分条件,设计了多刚体编队及姿态稳定的协同综合控制律。仿真结果表明,这种控制方法是有效的、可行的,所设计的控制器能够使整个刚体系统在空间运行过程中保持一定的队形,并且同时稳定控制描述各个刚体系统姿态的四元数。     

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。     

Cubesat solar sail 3-axis stabilization using panel translation and magnetic torquing

A Cubesat mission with a deployable solar sail of 5 meter by 5 meter in a sun-synchronous low earth orbit is analyzed to demonstrate solar sailing using active attitude stabilization of the sail panel. The sail panel is kept parallel to the orbital plane to minimize aerodynamic drag and optimize the orbit inclination change caused by the solar pressure force normal to the sail surface. A practical control system is proposed, using a combination of small 2-dimensional translation of the sail panel and 3-axis magnetic torquing which is proved to have sufficient control authority over the gravity gradient and aerodynamic disturbance torques. Miniaturized CMOS cameras are used as sun and nadir vector attitude sensors and a robust Kalman filter is used to accurately estimate the inertially referenced body rates from only the sun vector measurements. It is shown through realistic simulation tests that the proposed control system, although inactive during eclipse, will be able to stabilize the sail panel to within ±2° in all attitude angles during the sunlit part of the orbit, when solar sailing is possible.     

Detumbling and reorientation maneuvers and stabilization of NASASCOLE system

The questions of rotational maneuver and vibration stabilization of the NASA Spacecraft Control Laboratory Experiment (SCOLE) system is considered. The mathematical model of the SCOLE system includes the rigid body dynamics as well as the elastic dynamics representing transverse and torsional deformations of the elastic beam connecting the orbiter and end body (reflector). For the rotational maneuver, a new control law (orbiter control law) is derived using an orbiter input torque vector. Detumbling and reorientation maneuvers of the SCOLE system are accomplished using this control law; however, this excites the elastic modes of the beam. The orbiter control law asymptotically linearizes the flexible dynamics. Using the linearized model, a linear feedback control law is designed for vibration suppression. An observer is designed for estimating the state variables using sensor outputs which are also used for the synthesis of the control law. Simulation results are presented to show that in the closed-loop system detumbling and reorientation maneuvers can be accomplished and the effect of control and observation spillover is insignificant     

利用变速控制力矩陀螺的航天器集成能量与姿态控制

 利用变速控制力矩陀螺(VSCMG)的航天器姿态与能量一体化控制问题。针对以VSCMG为姿态控制执行机构的刚体航天器设计了全局渐近稳定的姿态跟踪控制律。将VSCMG的框架角速度和转子角加速度作为控制输入向量设计操纵律。利用加权的最小范数解得到VSCMG的姿态控制输入向量，并用与之正交的控制输入向量来以给定的功率存储/释放能量。提出了同时表征力矩陀螺模式构型奇异和转子轮速平衡的混合指标函数。对控制自由度有冗余的系统，在混合指标函数的基础上利用梯度法构建了VSCMG的空转运动，以回避力矩陀螺模式的构型奇异，并同时减小转子转速差过大引起的转速饱和以及VSCMG零奇异的可能性。利用反馈转子动能的方法规划日照期间的储能功率，以维持系统长时间工作的能量平衡。基于某太阳同步轨道卫星的数值仿真结果验证了系统的有效性。