基于螺旋理论描述的空间相对运动姿轨同步控制

对于姿轨运动存在严重耦合的空间相对接近操作,必须解决相对运动的姿轨同步控制问题。传统的相对姿轨分开建模串行控制方法,忽略了姿轨耦合,控制周期长且姿轨同步性差,显然不能满足要求。基于螺旋理论中的对偶数描述,建立了航天器六自由度相对运动模型,不仅包含了姿轨耦合项,而且形式统一有利于同步控制律的设计。针对模型中的耦合项进行分析,给出了相对姿轨耦合产生的成因。建立了相对姿轨同步误差,考虑模型的非线性,基于非线性反馈设计了一种同步控制律以消除该误差,并利用Lyapunov理论证明了控制律的稳定性。以两航天器交会接近的最后逼近段进行数字仿真,并与PD控制相对比,验证了所提方法的有效性,同时验证了所提方法可以实现姿轨控制的同步收敛,对于空间相对运动的姿轨同步操作具有重要意义。     

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。     

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。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制一体化设计方法

针对高超声速飞行器高速俯冲飞行段制导控制系统设计问题,建立了俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型,提出了一种新颖的六自由度(6DoF)制导控制系统设计方法。基于目标-飞行器三维空间相对运动模型和坐标系转移关系建立了三维全耦合俯冲相对运动模型,推导得到了飞行器加速度在弹道坐标系三轴的分量与飞行器三通道角速率间的解析模型,进而结合飞行器绕质心动力学模型建立了以气动舵偏角为控制输入的俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型。该制导控制一体化低阶设计模型降低了俯冲飞行段制导控制系统的模型阶数,减少了六自由度制导控制系统的设计参数,省略了传统设计方法中根据期望过载反求气动欧拉角的过程;同时利用解析模型替代了传统方法中姿态控制环路的跟踪控制过程,简化了制导控制系统的设计流程,为制导控制一体化设计提供了一种新的分析思路。数值仿真结果验证了本文提出的制导控制一体化设计方法的有效性和鲁棒性。     

无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制

提出了一种无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制算法。首先建立起基于对偶四元数的带扰动和参数不确定性的航天器姿轨耦合动力学模型。然后基于浸入与不变流形理论设计了速度观测器,通过增益注入对非线性项抑制,从而同时估计角速度和线速度。利用李雅普诺夫函数分析了观测器状态量的收敛性以及注入增益的有界性,证明了该观测器的指数稳定性。最后设计了一个比例-微分（PD）位置与姿态跟踪控制器,该控制器可以实现航天器的任意姿态与位置跟踪,分析了这种观测-控制结构的闭环系统渐近稳定性。仿真验证了该速度观测器和控制器的有效性以及对于参数不确定性和测量噪声具有较好的鲁棒性。     

基于力位协同控制的大飞机机身壁板装配调姿方法

为校正中机身壁板由于重力和调姿内力产生的变形，提高中机身壁板装配调姿精度，提出了一种基于力位协同控制的装配调姿方法。通过将调姿机构等效为并联机构，推导了调姿机构的解析正反解模型；根据螺旋理论，建立了力传感器测量值与重力、调姿内力之间的映射关系，实现重力补偿值的动态计算，基于局部刚体-弹性连接假设，通过多元线性回归方法构建了调姿内力转化为位置补偿量的模型；根据Clamped-Free变形协调原理，简化了定位器调姿内力之间的协调关系，在此基础上提出了重力前馈补偿和调姿内力转化为位置补偿的力位协同控制策略，并对其进行了理论分析与设计。最后，对所提出的控制策略进行了仿真分析，结果表明采用力位协同控制方法，调姿定位精度提高35.3%，调姿内力降低77.8%，通过应用实验，说明了该方法的可行性和有效性。     

集群航天器相对状态保持多约束鲁棒控制研究

针对集群航天器近距离观测过程中的相对状态保持问题,综合利用人工势场法和滑模变结构控制理论,给出了一种多约束条件下的六自由度鲁棒控制律。首先,利用拉格朗日方法和修正罗德里格斯参数,建立了六自由度相对运动动力学模型,分析近距离观测的任务约束,提出了相应的相对状态保持需求;然后,基于Lyapunov稳定性理论,利用人工势场法设计了相对轨道保持的鲁棒控制律,利用滑模变结构控制设计了相对姿态保持控制律;最后,仿真算例验证了模型和算法的有效性。     

一种改进的四旋翼飞行器建模方法

四旋翼飞行器的高精度动力学建模对于飞行控制性能的提升具有重要意义。传统的动力学模型是基于单个旋翼的力、力矩特性推导的，忽略了飞行器的整体动力学特征。考虑到四旋翼飞行器在机动情况下的整体动力学特点，对传统动力学模型进行了改进，在阻力模型中增加了角加速度相关项，在扭矩模型中增加了阻力相关项，在横滚与俯仰力矩模型中增加了切向力相关项，从而提高了模型的精度。通过四旋翼飞行器飞行试验对模型精度进行了验证，结果表明改进的动力学模型相较于传统模型具有更高的精度，对于飞行器的准确建模具有较好的参考意义。     

动力学解耦的改进直接力控制

 提出了一种动力学解耦的改进直接力控制技术,通过对传统直接力控制技术的改进,引入翼面气动力闭环控制回路,使空气动力学模型与刚体动力学模型分离,避免了空气动力学模型的不确定性和非线性耦合对控制系统的影响,并针对建模精度较高的刚体动力学模型进行动力学解耦和控制,在此基础上构建了分层递阶控制系统。根据翼面气动力可控特性分析结果,设计了基于广义逆的控制力分配算法,实现了控制力的有效分配,最后进行了仿真校验。仿真结果表明,基于逆动力学的直接力控制系统可以实现飞行器姿态运动和质心运动的解耦控制,并且具有较强的抗扰动能力和鲁棒性,具有良好的工程应用前景。     

参数不确定机器人关节特征建模与自适应控制研究

针对参数不确定的足式机器人关节控制问题,建立了足式机器人单腿动力学模型,分析了其多输入多输出、时变、耦合和非线性等特性,建立了一种具有输入解耦形式的多输入输出特征模型;然后基于此模型给出了全系数自适应控制方法;最后利用虚拟样机技术对足式机器人多种工况进行仿真。仿真结果验证了建模和控制方法的有效性。