小天体安全着陆与表面探测控制方法研究

针对探测器在小天体表面的弹跳式运动特点，提出一种表面运动控制方法。首先基于简化的运动模型，计算出探测器进行弹跳式转移所需的初始速度；然后通过对轨道方程的线性化，基于线性时变系统的求解方程，采用脉冲控制对每次弹跳的运动轨迹进行修正，增加控制精度；并分析转移距离与弹跳次数的关系；最后，以小行星1620 Geographos作为目标小天体进行仿真分析，验证了控制算法的有效性。结果表明，该控制方法可以应用于探测器在附着到小天体表面后的弹跳转移，也适用于弱引力环境下探测器的弹跳式探测。     

基于Lyapunov函数的小天体软着陆障碍规避控制方法

针对姿轨耦合型探测器控制方法存在工程实现难、计算效率低的问题,提出一种基于Lyapunov函数的小天体自主软着陆障碍规避控制方法。首先,建立了小天体着陆过程姿态和轨道的动力学模型;其次,考虑探测器当前的势能与障碍地形对探测器的威胁选取Lyapunov函数,并根据Lyapunov稳定性原理推导了推力器的开关控制逻辑,能够实现到达目标着陆点的同时进行障碍规避,且该过程不需事先设计参考模型。同时,该控制逻辑具有解析形式,能够实现实时障碍规避。仿真结果表明,该方法能够有效实现规避障碍且满足姿态稳定的要求。     

基于序列影像的小天体三维形状重建方法研究

提出了一种基于序列影像的小天体三维形状重建方法。利用小天体序列影像间的内在几何约束关系,在无精确位置、姿态数据的条件下,基于稀疏光束法平差求解小天体序列影像的相对位置、姿态。综合利用核线几何约束、半全局匹配、多视最小二乘匹配等策略进行小天体序列影像的密集匹配,重建小天体三维形状信息。由于小天体序列影像尺度变化大、纹理贫乏,导致影像匹配的误匹配率较高,在匹配过程中采用随机KD树搜索策略与拟合透视变换模型的RANSAC算法剔除粗差。利用"黎明号"探测器的绕飞段实测影像,对灶神星(VESTA)的三维形状重建进行了实验,结果证明了该方法的有效性。     

附着小天体的动态面鲁棒制导与控制方法

以精确附着小天体表面的任务为背景,提出一种基于扰动观测器(DOB)和动态面控制的附着小天体的制导与控制方法。根据探测器的初始条件与终端着陆条件规划了标称轨迹,并将引力场建模误差、参数摄动和外部干扰等视为总扰动,结合动态面控制和DOB设计了标称轨迹跟踪控制器。分析总扰动估计误差的渐进收敛性以及闭环标称轨迹跟踪控制系统的稳定性,并确定控制器参数选取条件。数值仿真结果表明,所设计的DOB可以有效地估计并抑制总扰动且闭环标称轨迹跟踪控制系统具有良好的稳定性和控制精度。     

低成本多小天体并行交会技术

小天体资源开发方兴未艾，为降低开发风险和成本，需要发射无人探测器交会观测多个待选目标小天体。传统多目标探测方案存在无法多次交会、成本高，周期长等不足。提出的低成本多小天体并行交会技术，能够对多小天体探测任务进行解耦，实现基于微纳飞行器的低成本多目标并行交会勘查，从而降低探测成本，缩短探测周期。该技术结合行星借力与不变流形机制构建了低能量星际转移方案。然后引入扰动流形思想，使微纳飞行器能够实现与目标小天体的快速交会。进一步，提出了一种多目标小天体探测全局搜索方法，该方法基于在日地halo轨道上停泊的微纳飞行器集群，逐次确定小天体探测目标，并利用上述方法完成了多微纳飞行器与多小天体的交会。数值仿真结果表明，该方案能够大幅度降低转移过程的燃料消耗，并缩短转移时间。     

基于统计特征空间提取和支持向量机的极暗弱小天体检测方法

小天体检测是小天体防御和预警的前提。针对小天体目标信噪比低、检测难的问题，提出了基于统计特征空间提取和支持向量机（SVM）的极暗弱小天体检测方法。区别于传统方法基于时间或空间上目标的能量和背景噪声能量的瞬时能量差别或是瞬时能量差别的累积，对目标进行检测。该方法不依赖目标能量大小，提取运动目标穿过背景时对稳定性产生的扰动来反演运动目标。将输入的图像序列转化为单像元时序信号，划分时序窗口提取统计特征，关联形成统计特征空间，利用更高维度的变化特性检测目标变化。通过SVM将暗弱小天体检测问题转化为目标与背景的二分类问题，避开了较难解决的阈值分割问题同时具有更好的泛化性能。利用真实数据与其他经典方法进行对比分析，使得分类准确率提高4.02%。该方法能够适应更低的信噪比，在极低信噪比下仍表现出稳定的检测性能。     

小天体着陆动力学参数不确定性影响分析

针对小天体不规则程度高、引力场复杂,且物理参数存在较高不确定性的问题,基于小天体着陆动力学方程线性化近似解析解,对各动力学参数不确定性的影响进行了分析。考虑动力学方程线性化带来的误差,引入线性化误差补偿校正方法,建立了探测器轨迹对动力学参数不确定性的敏感度方程。以小行星Eros 433为例,重点分析了目标小天体质量、自转角速度、引力势函数系数,以及探测器初始状态、推力加速度等动力学参数不确定性对探测器着陆轨迹的影响。数学仿真分析表明,针对本文选取的目标小天体,推力加速度扰动为主要影响因素,探测器初始状态的不确定性为次要影响因素,其他参数扰动的影响较小。     

附着小天体的最优制导控制方法

以小天体伴飞附着任务为工程背景,针对探测器在小天体复杂弱引力场条件下附着这一难题,研究了最优制导控制策略。首先,考虑在小天体极区实施附着任务,建立并简化动力学模型,给出约束条件和基于时间-燃耗最优的混合性能指标要求。然后,采用相平面法设计了最优制导律,利用极限环设计最优开关控制律;同时,采用高斯伪谱法把附着小天体的最优制导问题转化成非线性规划问题,利用Matlab/GPOPS优化工具包求取最优数值解。最后,加入已有的基于矢量测量的自主光学导航模块构建GNC仿真回路,对两种最优制导控制策略进行仿真验证。结果表明:两种制导控制策略都能满足任务要求,但基于相平面法得到的最优制导控制具有一定风险,而基于高斯伪谱法得到的最优制导控制精度更高、燃耗更少,适于工程应用。     

小天体自主附着多滑模面鲁棒制导方法研究

小天体形状不规则及缺乏观测信息的特点使得小天体附近的动力学环境较为复杂,附着动力学模型存在较大不确定性。通过引入多滑模面鲁棒制导方法,分别设计2个滑模面,使探测器状态先后到达这2个滑模面,可实现指定时刻精确附着小天体的目标。通过选取参数的分析总结了制导律中相关参数的选取对燃料消耗的影响,给出了制导律相关参数选取原则。在存在外界环境扰动、初始状态误差和导航误差条件下,蒙特卡洛仿真结果表明:多滑面制导方法能够在小天体的不确知环境中实现高精度附着,且具有很好的鲁棒性。多滑模面制导方法精度高、鲁棒性好,且无需设计参考轨迹,实时性好,适合小天体自主精确附着的任务需求。     

一种小天体旋转参数估计方法

小天体旋转参数是科学数据，也是小天体测绘，着陆导航的基础数据.研究一种在小天体探测接近段过程中使用的基于图像上特征点跟踪和扩展卡尔曼滤波器的小天体旋转参数估计方法.该方法首先建立小天体旋转关系模型，表示小天体在相机坐标系中的姿态变化；然后定义小天体旋转的状态方程，推到了扩展卡尔曼滤波器的计算过程.通过对观测图像序列上的特征点跟踪，利用扩展卡尔曼滤波器方法得到小天体旋转轴指向和自转角速度估计.实验中，在仿真相机与小天体相机100 km距离上，分析了相机坐标系小天体坐标系之间的四元数初值，图像上特征点跟踪精度，相机的观测指向等因素对小天体旋转参数估计精度的影响.实验结果表明，提出的基于图像特征点跟踪和扩展卡尔曼滤波器的小天体旋转参数估计方法能够得到具有较高精度的估计结果.     

基于直接自适应的挠性航天器姿态稳定控制

针对挠性航天器姿态稳定控制,基于退步控制方法与直接自适应控制方法提出了一种自适应控制策略。首先将挠性航天器模型分解为运动学子系统和动力学子系统,并设计具有理想控制性能的参考模型;然后在姿态小角度的假设下,对满足近似严格正实性的姿态运动学子系统设计了直接自适应中间控制律;最后运用退步控制方法对航天器动力学子系统设计了姿态控制器,并证明了闭环系统的稳定性。理论分析和数值仿真结果表明该控制器对挠性航天器的姿态稳定控制是有效的。     

一种新的自适应模糊控制器的设计方法

在分析现有的自适应模糊控制器不足之处的基础上,提出了一种新的自适应模糊控制器设计方法.为保证系统性能的一致性,在启动自适应模糊控制器前,采用监督控制将初始跟踪误差镇定到给定范围.自适应模糊控制器可在存在模糊逻辑系统逼近误差的情况下,使系统跟踪误差小于预先给定的任意常数.文中用仿真算例验证了本方案的有效性.     

一种高精度温度控制的复合方法及其应用

介绍了一种用于高精度温度控制的复合方法及其在恒温槽上的成功应用.该方法集Fuzzy逻辑和专家式智能PID(比例、积分、微分)控制于一体,充分运用了专家的人工调节经验和PID控制的定量调节特性,较好地满足了高精度控温中的高精度与快速性要求.采用了简单新颖的PID参数在线修正和温度变化预报方法,易于实现.用于恒温槽时控制精度优于0.01℃.实践证明该方法在高精度控温中具有良好的控制效果.     

Adaptive double-saturated control for hovering over an asteroid

Hovering over an irregular-shaped asteroid is particularly challenging due to the large gravitational uncertainties and various external disturbances. An adaptive control scheme considering commanded acceleration and its change-rate saturation for hovering is developed in this paper. Taking full advantage of terminal sliding-mode control theory, first, we convert the double-saturated control problem to a new equivalent system by introducing a special bounded function, in which just control input saturation needs to be considered. Then, a continuous finite-time saturated controller is designed for the new system with the assistance of an constructed auxiliary subsystem. Additionally, an adaptive law is devised for the controller to avoid the requirement of the unknown upper bounds of the disturbances, rendering the control scheme especially suitable to asteroid hovering missions. The finite-time stability of the whole closed-loop system is proved via Lyapunov analysis. Numerical simulation studies are carried out, and the results demonstrate the design features and the desired performance.     

敏捷导弹气动力/侧向推力复合控制特性分析研究

讨论了敏捷导弹的气动力与姿控发动机侧向推力复合控制.提出将控制系统分成控制律和复合逻辑两部分进行设计的方法,对敏捷导弹进行复合控制,并通过具体的仿真实例比较了在纯气动控制以及姿控发动机在连续和脉冲形式下的控制效果.最后分析了姿控发动机到拦截器质心的距离对控制效果的影响.     

并联式运载器的垂直发射建模与控制

为了有效控制垂直发射时并联式运载器的运动,设计了一个用于垂直发射的姿态控制方法,首先分析了欧拉运动学方程存在的奇异点,在此基础上给出了采用四元数描述的姿态运动学方程,建立了并联式运载器的姿态动力学模型,其次给出了并联式运载器的推力矢量模型,基于数学模型对推力矢量在不同配置方式下的控制效率进行了比较,最后给出了保证四元数收敛的切换函数,应用变结构控制理论设计了对于满足一定条件的不确定性具有完全鲁棒性的姿态控制律.仿真结果表明了该姿态控制方法的有效性.     

基于力的电动静液作动器阻抗控制

阻抗控制作为一种柔顺控制方式,能够实现力与位置的协同控制,在作动系统需要与外部环境发生接触的应用中具有一定优势。在集成、高效的电动静液作动器(EHA)上实现基于力的阻抗控制具有良好的应用前景,其中核心问题是EHA力伺服控制器的设计。针对阻抗控制中外部负载特性不确定,EHA部分结构参数时变等问题,采用定量反馈理论(QFT)的方法对力伺服控制器进行设计。在对EHA数学模型及参数进行分析的基础上,通过QFT方法将被控对象的不确定范围与系统性能设计指标相结合,并以定量的方式在Nichols图上形成边界,在使标称对象的开环频率特性曲线满足各边界约束条件的同时完成力伺服控制器的设计。通过不同外部负载条件下的力伺服控制实验以及静、动态阻抗控制实验对EHA的力伺服控制器与阻抗控制系统进行了验证。实验结果表明:通过QFT方法设计得到的力伺服控制器对外部环境具有较强的鲁棒性,从而确保了EHA阻抗控制的成功实现。     

Event-triggered adaptive fuzzy attitude takeover control of spacecraft

The problem of attitude takeover control of spacecraft by using cellular satellites with limited communication, actuator faults and input saturation is investigated. In order to lighten the communication burden of cellular satellites, an event-triggered control strategy is adopted. The filtered attitude information needs to be transmitted only when the defined measurement error reaches the event-triggered threshold in this strategy. Then, to deal with the unknown inertia matrix, actuator faults, external disturbances and the errors caused by event-triggered scheme, fuzzy logic systems is introduced to estimate the uncertainties directly. Combining fuzzy logic control strategy and the event-triggered method, the first event-triggered adaptive fuzzy control law is developed. Then, torque saturation of cellular satellites is further considered in the second control law, where the upper bound of the uncertainties is estimated by fuzzy logic systems. The resulting closed-loop systems under the two control laws are guaranteed to be bounded. Finally, the effectiveness of two proposed control laws is verified by the numerical simulations.     

高超声速飞行器离散模糊自适应控制

根据高超声速飞行器的欧拉近似离散模型,提出基于Back-stepping的模糊离散自适应控制器设计方法.结合模糊自适应控制和反馈线性化的方法,Back-stepping设计的每一步虚拟/实际控制量对系统非匹配的不确定性都能进行较好补偿.稳定性分析表明,该控制方法能够保证系统跟踪误差和模糊自适应参数误差是一致终值有界的.仿真使用了高超声速飞行器的纵向模型对算法进行了验证,得到了满意的控制效果.     

Novel finite-time attitude control of postcapture spacecraft with input faults and quantization

This paper investigates a novel finite-time attitude control method for the postcapture spacecraft with an unknown captured space target in the presence of input faults and quantization. First, a quasi fixed-time convergent performance function is developed to quantitatively characterize the attitude tracking performance. Then, a backstepping prescribed performance attitude controller is devised via using integral barrier Lyapunov function. Compared with the existing works, the fractional state feedback and discontinuous controller is directly avoided to achieve the fixed-time convergence rate. Namely, the proposed fixed-time controller is easily achieved online. Finally, two groups of illustrative examples are organized to validate the effectiveness and robustness of the proposed control method.