基于微小卫星合作博弈的失效航天器姿态接管控制

针对多颗微小卫星接管控制失效航天器姿态运动的问题,提出了一种基于多颗微小卫星合作博弈实现对失效航天器姿态接管控制的方法。首先,面向失效航天器姿态接管控制任务需求,设计了各颗微小卫星的局部目标函数,并在考虑多颗微小卫星与失效航天器所形成组合体的动力学约束、微小卫星控制约束的情况下,建立了多颗微小卫星的合作博弈模型。其次,为实现失效航天器对时变期望姿态轨迹的跟踪,在合理设计期望姿态轨迹的基础上,通过构建组合体增广姿态运动方程,将跟踪期望姿态轨迹的要求描述为微小卫星合作博弈控制问题中的一组约束,并建立了多颗微小卫星控制失效航天器跟踪时变轨迹的合作博弈帕累托最优策略的求解框架。最后,对微小卫星合作博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明：该方法能够在不需要进行微小卫星控制分配的情况下,通过多颗微小卫星的合作博弈实现对失效航天器的姿态接管控制。与传统方法相比,这种控制方法可避免进行微小卫星之间的控制分配,能够实现微小卫星能量消耗的全局最优且设计简单便于考虑微小卫星的控制约束。     

一组新的四元数轨道要素建模方法

针对传统以欧拉角为参数的轨道要素的奇异性、不确定性以及计算效率低等问题,提出了一种新的四元数轨道要素。建立了新轨道要素与经典轨道要素,以及新轨道要素与惯性系下位置、速度的相互转换关系,推导了基于新轨道要素的高斯摄动方程。以J₂项摄动下的轨道推演为例进行仿真验证,结果表明新轨道要素不仅在圆轨道与赤道平面轨道处不存在奇异性和不确定性,而且由于新轨道要素不涉及三角函数运算,新高斯摄动方程积分效率和计算精度明显提高。     

考虑气动加热和变截面惯性矩的高超声速飞行器建模与分析

由于高超声速飞行器弹性机体/发动机的高度一体化设计,使得此类飞行器的动力学建模与控制较为复杂,而作为控制的基础以及面向控制的总体优化设计都需要建立高精度的动力学模型。首先,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的高超声速飞行器自由梁结构弹性模型,分析了气动加热和变截面惯性矩对飞行器振型的影响,得出了气动加热对振型影响非常小且振型引起的攻角变化很小,变截面惯性矩对飞行器的振型影响较大且振型引起的攻角变化较大的结论。然后,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的自由梁高超声速飞行器动力学模型,对考虑气动加热和忽略气动加热、恒截面惯性矩和变截面惯性矩对应的动力学模型进行了零极点分布对比分析,得出了气动加热对飞行器的纵向动态特性影响很小,变截面惯性矩自由梁对应的高超声速飞行器在特征点处开环不稳定性更大和非最小相位行为约束变弱的结论。     

空间转移飞行器自主导航系统SINS／GPS／SS的卡尔曼滤波器降阶方案

基于Kalman滤波的Strapdown Inertial Navigation system/Global Positioning System/star sensor(SINS/GPS/SS)组合导航系统已被研究用于满足空间转移飞行器自主导航能力的需求.为提高该方案实时性,论文提出两步降阶简化设想.第一,在星敏感器精度较高且保持稳定的前提下,认为绝对姿态(四元数)误差较小,可忽略组合系统速度误差通道中的姿态四元数误差,实现姿态四元数误差与速度和位置误差的解耦,进而将原滤波器简化为分别估计姿态四元数误差和估计速度、位置误差的两个完全独立的降阶滤波器;第二,针对估计位置、速度误差的滤波器,采用噪声等效思想.简化加速度计误差模型,进一步降低滤波器维数.此时,原16维滤波器将被化分为两个同时运行的7维和6维降阶滤波器.仿真表明在计算量明显下降的同时,该降阶滤波器和原滤波器估计效果却相当.证实这种思想具有一定的可行性.     

对异面椭圆轨道目标航天器的长期绕飞轨迹设计与控制

研究了绕飞卫星对异面椭圆轨道目标航天器进行长时间绕飞观测的轨道设计与控制问题。首先建立了适用于目标航天器运行在椭圆轨道上的长期绕飞轨迹设计模型;得到了绕飞轨迹以目标航天器为中心且保持封闭的条件。然后,考虑绕飞轨迹安全性和完成任务的相对距离需求,针对具体目标设计了长期绕飞观测轨道。绕飞过程中存在的摄动和误差影响会使绕飞轨迹不能保持封闭,不满足任务需求,为此采用双脉冲方法对绕飞轨迹进行控制。仿真结果表明,对运行在异面椭圆轨道上的目标航天器,所建立的绕飞轨迹设计模型和轨迹控制方法可以用于长期绕飞轨迹设计与控制中。     

空间双臂机器人抓捕非合作目标后的协调稳定控制

由于非合作目标惯性参数的不确定性以及双臂操控目标的拉扯/挤压作用，空间双臂机器人稳定非合作目标的过程中机械臂末端与目标可能产生过大的接触力与力矩，从而可能对目标造成损伤。针对该问题，提出了一种协调稳定控制方法，通过协调双臂期望运动实现双臂末端与目标交互的柔顺，降低稳定过程中产生的接触力与力矩。首先，利用目标惯性参数的估值规划稳定运动轨迹；然后，利用柔顺等式建立调整稳定运动轨迹的内外双环，分别针对目标惯性参数不确定性的影响和双臂末端对目标的拉扯/挤压，对期望运动进行调整，得到实现机械臂末端与目标接触柔顺的安全稳定运动轨迹；最后，基于障碍李雅普诺夫函数设计控制性能可约束的跟踪控制器，对双臂的运动进行协调控制，实现机械臂末端与目标交互柔顺的安全稳定控制。仿真算例验证了本文协调稳定控制方法的有效性。     

机器人运动规划方法综述

随着应用场景的日益复杂，机器人对旨在生成无碰撞路径（轨迹）的自主运动规划技术的需求也变得更加迫切。虽然目前已产生了大量适应于不同场景的规划算法，但如何妥善地对现有成果进行归类，并分析不同方法间的优劣异同仍是需要深入思考的问题。以此为切入点，首先，阐释运动规划的基本内涵及经典算法的关键步骤；其次，针对实时性与解路径（轨迹）品质间的矛盾，以是否考虑微分约束为标准，有层次地总结了现有的算法加速策略；最后，面向不确定性（即传感器不确定性、未来状态不确定性和环境不确定性）下的规划和智能规划提出的新需求，对运动规划领域的最新成果和发展方向进行了评述，以期为后续研究提供有益的参考。