航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛控制方案。通过引入能够避免奇异点的具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束的有限时间姿态跟踪容错控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的上界。此外,所设计的控制器显式考虑了执行器输出力矩的饱和幅值特性,使航天器在饱和幅值的限制下完成姿态跟踪控制任务,并且无须进行在线故障估计。Lyapunov稳定性分析表明：在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障等约束条件下,所设计的控制器能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对控制器饱和与执行器故障具有良好的容错性能。数值仿真校验了该控制器在姿态跟踪控制中的优良性能。     

基于反步法的航天器有限时间姿态跟踪容错控制

针对存在外部干扰、控制饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于反步法的有限时间控制方案。通过引入一类新型的具有有限时间收敛特性的积分式滑模面,设计了满足多约束的有限时间容错姿态跟踪控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的界。该容错控制方案的设计无需在线故障信息检测、分离甚至控制器重构,并显式地考虑了执行器输出的饱和幅值要求。稳定性分析表明:在控制饱和甚至执行器故障等多约束的条件下,本文所设计的控制器不仅保证了姿态跟踪的有限时间收敛性,且对于执行器故障具有优越的容错能力;数值仿真分析进一步验证了该控制器的控制性能,以及对外部干扰和系统不确定性的鲁棒性。     

输入量化下航天器位姿一体化预设时间控制

航天器在轨抢修或维护等空间近距任务中，往往要求执行任务的航天器在限定的时间窗口和有限通信带宽的条件下，实现对目标的位姿跟踪。针对其姿轨耦合控制问题，提出了一种带有输入量化的姿轨一体化预设时间控制方法。首先，在Lie群SE(3)框架下，建立了相对运动航天器位姿一体化误差动力学模型。其次，引入了输入量化机制，减小控制器到执行机构间的通信频次。接着，基于推导的实际预设时间稳定引理，结合反步法设计了一种非奇异预设时间位姿跟踪控制器。为提高系统鲁棒性，设计新型自适应律估计并补偿系统总扰动，并利用量化器参数抑制量化误差；该方法能够在不依赖系统初始状态、输入量化和扰动信息未知的情况下实现预设时间内稳定，且稳定时间上界可由一个控制参数预先设定。然后，基于Lyapunov理论证明了系统的稳定性。最后，数值仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于新型终端滑模的航天器执行器故障容错姿态控制

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。     

执行器故障的挠性航天器姿态滑模容错控制

针对挠性航天器执行器卡死与失效故障的姿态稳定控制问题,提出一种改进型滑模容错控制策略.与传统的滑模控制相比,该方法能削弱传统滑模控制中抖振现象对姿态控制精度的影响,且它采用自适应技术在线估计系统中的不确定参数,从而保证控制性能对外部干扰、不确定甚至时变转动惯量具有良好的鲁棒性.该控制器并不需要任何在线或离线的故障信息,...     

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。     

基于终端滑模的无人机编队协同控制

文章研究了具有输入受限及外部干扰的无人机编队有限时间协同控制问题。首先,引入抗饱和辅助系统来解决执行器的饱和问题,利用自适应方法对扰动上界进行估计和补偿;然后,设计新型全局快速终端滑模的控制器,使得编队内各无人机在有限时间内收敛到指定的编队位置,并通过李雅普诺夫稳定性分析方法,证明控制方法的有效性;最后,对提出的控制方法进行数字仿真,验证了实际可行性。     

人工智能在航天器制导与控制中的应用综述

航天器制导与控制技术是保障空间任务顺利实施的关键技术之一。当前,动力学模型的强非线性以及参数不确定性制约了高精度姿轨控技术的发展,而系统故障则决定航天器姿轨控的成败。以机器学习为代表的新一代人工智能技术航天器制导控制领域展现了巨大的应用潜力。首先对基于人工智能技术的轨迹制导和姿态控制中的研究发展及应用现状进行归纳,分析航天器轨迹规划、姿态控制、故障诊断以及容错控制技术的发展趋势。然后,从鲁棒轨迹规划、自适应姿态控制、快速故障诊断和自适应容错控制等4个方面总结适用于未来航天任务的航天器姿轨控关键技术。最后,针对智能姿轨控技术的应用所面临的挑战,从姿轨控架构、算法最优性、算法的训练以及技术验证等方面提出相应的发展建议。     

基于小脑模型关节控制器的无人机集群快速终端滑模容错控制

针对受执行器故障和外界干扰影响的集群无人机（UAV）协同编队控制问题，提出了一种自适应快速非奇异积分滑模（FNISM）容错控制（FTC）方法。为使集群无人机在执行任务时具有良好的协同跟踪性能，通过对无人机实际飞行情况的分析，考虑了无人机编队飞行时的执行器故障和尾涡扰动等对跟踪性能的不利影响。采用小脑模型关节控制器神经网络（CMANN）来估计并消除外部干扰的影响，同时运用CMANN逼近补偿执行器故障。研究表明：所提出的容错控制方案可以保证无人机编队闭环系统在故障情况下的最终一致有界稳定，并且可以通过减小滑模设计参数提高收敛速度，通过增大虚拟和实际控制器参数提高控制精度。4架无人机的集群编队在该方法、基于径向基神经网络（RBFNN）的鲁棒动态面容错控制、比例微分（PD）滑模容错控制3种方法下的对比仿真结果表明该方法在无人机集群编队出现故障时具有更优异的协同控制性能。     

考虑输入饱和的航天器相对运动鲁棒自适应控制

 研究了在输入饱和约束条件下的航天器相对运动的姿态和轨道一体化控制问题。首先,基于单位对偶四元数给出了航天器6自由度相对运动的数学模型,利用误差对偶四元数来描述航天器的相对姿态和相对位置。接着,针对输入饱和问题,提出了一种对航天器模型参数不确定性和外部有界干扰具有较强鲁棒性的自适应控制器,并通过李雅普诺夫方法从理论上严格证明了整个闭环系统的全局渐近稳定性。最后,通过数值仿真来验证设计方法的有效性和可行性,并且与其他方法进行了比较,结果表明设计的方法能够抑制输入饱和的问题,在性能上具有更快的收敛速度和更强的鲁棒性。     

Adaptive Integral-type Sliding Mode Control for Spacecraft Attitude Maneuvering Under Actuator Stuck Failures

A fault tolerant control (FTC) design technique against actuator stuck faults is investigated using integral-type sliding mode control (ISMC) with application to spacecraft attitude maneuvering control system. The principle of the proposed FTC scheme is to design an integral-type sliding mode attitude controller using on-line parameter adaptive updating law to compensate for the effects of stuck actuators. This adaptive law also provides both the estimates of the system parameters and external disturbances such that a prior knowledge of the spacecraft inertia or boundedness of disturbances is not required. Moreover, by including the integral feedback term, the designed controller can not only tolerate actuator stuck faults, but also compensate the disturbances with constant components. For the synthesis of controller, the fault time, patterns and values are unknown in advance, as motivated from a practical spacecraft control application. Complete stability and performance analysis are presented and illustrative simulation results of application to a spacecraft show that high precise attitude control with zero steady-error is successfully achieved using various scenarios of stuck failures in actuators.     

航天器有限时间自适应姿态跟踪容错控制

非刚体航天器存在时变的惯量、执行器完全失效或衰退故障以及外界干扰的情况,提出一种有限时间自适应姿态跟踪容错控制方法。首先,基于有限时间理论和自适应方法,设计惯量不确定性自适应估计项和外界干扰参数自适应估计项进行系统补偿,克服惯量不确定性和抑制外界干扰;然后,基于容错控制和双幂次方法,设计一种自适应有限时间姿态跟踪容错控制算法,并且利用Lyapunov稳定性理论证明所提算法能够保证航天器姿态跟踪系统实际有限时间稳定;最后,对仿真结果进行验证。结果表明:所提有限时间姿态跟踪容错控制方法是有效的。     

作动器故障下的无人机容错控制方法

在执行任务过程中,无人机的传感器、作动器等均可能出现故障。文章针对常规布局无人机的作动器故障,提出了 1种反步法和控制分配相结合的容错控制方法。首先,建立无人机数学模型,并对作动器故障进行分类和建模;然后,根据模型设计反步最优控制器和基于控制分配的容错控制器;最后,通过仿真验证表明,所设计的容错控制方法能够实现作动器故障下的姿态快速稳定控制,且稳定性好,基本无侧滑角,各操纵面均在约束范围内,达到容错控制要求。     

Distributed fixed-time attitude coordinated control for multiple spacecraft with actuator saturation

This paper investigates the distributed fixed-time attitude coordinated control problem for multiple spacecraft subject to actuator saturation under the directed topology. First, a distributed fixed-time observer is presented for each follower spacecraft to estimate the leader spacecraft’s states. Compared with the commonly used fixed-time observer, the settling time of the proposed fixed-time observer can be easily adjusted by some free design parameters. Next, a distributed fixed-time control ...     

Accelerated Landweber iteration based control allocation for fault tolerant control of reusable launch vehicle

This paper presents a novel Fault Tolerant Control(FTC) scheme based on accelerated Landweber iteration and redistribution mechanism for a horizontal takeoff horizontal landing reusable launch vehicle(RLV). First, an adaptive law based on fixed-time non-singular fast terminal sliding mode control(NFTSMC), which focuses on the attitude tracking controller design for RLV in the presence of model couplings, parameter uncertainties and external disturbances, is proposed to produce virtual control co...     

Twistor-based synchronous sliding mode control of spacecraft attitude and position

A synchronous control of relative attitude and position is required in separated ultra-quiet spacecraft, such as drag-free, disturbance-free, and distributed spacecraft. Thus, a twistor-based synchronous sliding mode control is investigated in this paper to solve the control problem of relative attitude and position among separated spacecraft modules. The twistor-based control design and the stability proof are implemented using the Modified Rodrigues Parameter (MRP). To evaluate the effectiveness of the proposed control method, this paper presents a case study of separated spacecraft flying control considering the mass uncertainty and external disturbances. In addition, a simulation study of the Proportional-Derivative (PD) control is also presented for comparison. The results indicate that the twistor-based sliding mode controller can ensure global asymptotic stability. The states converge fast with ultra-precision and ultra-stability in both the attitude and position. Moreover, the proposed twistor-based sliding mode control system is robust to the mass uncertainty and external disturbances.