欠驱动刚性航天器可行轨迹生成算法研究

研究了仅有两个独立控制力矩的轴对称欠驱动刚性航天器的可行轨迹生成问题。首先,由系统模型推导出轴对称欠驱动航天器可行轨迹必须满足的状态约束条件;其次,基于轴对称欠驱动航天器的微分平滑特性,提出了一种可行轨迹生成算法。该算法针对欧拉角姿态描述的系统模型,不仅能够有效地简化系统平滑变换中的奇异点避让问题,而且即使是在大角度机动的情况下,仍然能够保证轴对称欠驱动航天器的姿态角速度和相应的控制输入力矩始终保持在合理的范围内。仿真结果表明,该算法计算量小、计算速度快,这使得欠驱动航天器后续的轨迹规划和轨迹跟踪等算法的在线实际应用成为可能。     

欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划粒子群算法

研究欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划问题。众所周知航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位，当其中一轮失效，航天器动力学方程表现为不可控。在系统角动量为零的情况下，系统的姿态控制问题可转化为无漂移系统的运动规划问题。基于粒子群优化技术设计了欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划算法。通过数值仿真，并和遗传算法进行了比较，结果表明该方法对欠驱动航天器姿态运动规划是有效的。     

欠驱动双刚体航天器姿态运动规划的数值方法

带球铰连接的双刚体航天器系统在无外力矩作用时,其姿态运动可通过连接双刚体航天器的铰关节进行控制,这种由控制输入数目少于系统自由度的系统称为欠驱动系统.利用系统相对于总质心的动量矩守恒这一特性研究了欠驱动双刚体航天器的三维姿态运动控制问题.导出带球铰连接的双刚体航天器系统三维姿态运动控制模型,并将系统的控制问题转化为无漂移系统的运动规划问题,利用最优控制技术和小波分析方法.提出基于小波逼近的遗传算法最优运动规划数值算法.通过数值仿真,表明该方法对带球铰连接的欠驱动双刚体航天器三维姿态运动的运动规划是有效的.     

基于极限学习机的有限时间自适应姿态控制

对存在转动惯量未知摄动和角速度有界约束的航天器姿态控制问题,设计了一种基于非奇异终端滑模面的有限时间姿态跟踪控制器。预设有界虚拟角速度作为外环系统的控制输入,使姿态角快速收敛到期望姿态。将外环虚拟角速度作为内环系统的期望轨迹,采用极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM)在线估计包含未知转动惯量的部分,并基于非奇异终端滑模面设计了一种自适应姿态控制器,使内环输出角速度在有限时间内精确跟踪预设虚拟角速度,满足了角速度有界约束。理论分析了闭环系统的全局渐近稳定性。数值仿真了在轨抓捕非合作目标过程中的航天器姿态控制问题,验证了本文控制器的合理性和姿态控制器的优良品质。     

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。     

规避姿态禁区的航天器姿态机动路径规划

对航天器姿态机动进行路径规划以规避姿态禁区,能有效保障航天器安全运行,提高在轨寿命。文章研究了多约束条件下的航天器姿态机动路径规划问题,将工程约束表达成明确的函数,提出了基于比例微分控制的编码方法,设计了一种以机动时间最短为目标的评价函数,将路径规划问题转换为最优化问题,采用粒子群优化算法进行最优解搜索,在可接受的代价范围内得到了满足约束的机动路径。仿真结果表明,该方法对于禁区规避问题是有效的。     

空间机械臂非完整运动规划的遗传算法研究

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时，系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统。由于非完整约束的不可积性，非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多。现利用非完整特性研究了自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动控制问题。首先导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型，并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。在运动规划中，根据最优控制原理和优化理论，提出基于遗传算法的最优运动规划数值算法。通过数值仿真，表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的。     

椭圆轨道欠驱动航天器编队重构轨迹优化

针对椭圆轨道航天器编队重构问题,提出一种适用于径向或迹向欠驱动工况的最优控制方法。首先,基于椭圆轨道航天器相对轨道动力学模型,分析了径向和迹向欠驱动条件下的系统能控性以及重构任务可行性。其次,将欠驱动编队重构最优控制问题表述为约束轨迹优化问题,并采用高斯伪谱法求解了最优控制轨迹。最后,引入全驱动控制器与欠驱动控制器进行控制性能对比,仿真结果表明,欠驱动控制器可完成与全驱动控制器相同的编队重构任务并保持一定的控制性能,进而避免由推力器故障引起的重构任务失效。     

非凸二次约束下航天器姿态机动路径迭代规划方法

针对复杂约束下航天器姿态机动路径规划问题,首先描述和分析了航天器姿态机动过程中面临的动力学和运动学约束、有界约束、姿态指向约束,把姿态指向约束利用非凸二次型进行表述;其次从能量最优角度出发,将该约束机动问题归纳为非凸二次约束二次规划问题;然后引入线性松弛技术,将该问题转化成双线性规划问题,求出其中一个变量的凸包络和凹包络,降低求解复杂度,从而求出原问题的一个线性松弛。同时为了提高求解精度,提出一种基于评价函数的迭代规划算法,利用线性松弛求出的解作为初值,通过评价函数进行迭代规划,最终求出原问题的最优解。仿真结果表明该方法不仅可以满足复杂的姿态约束,得到全局姿态优化路径,而且能够降低能量消耗。     

具有非凸约束的航天器姿态机动预测控制

针对航天器带有非凸几何约束以及输入有界的问题,提出了一种姿态机动预测控制算法.分析了姿态机动所受到的几何约束,并对非凸二次形式约束及其Hesse矩阵进行研究,证明了该约束的非凸性.通过对正定Hesse矩阵的构造,给出非凸约束凸化映射关系.最后给出姿态机动预测控制律,解决了由于姿态机动过程中非凸约束造成的全局解收敛困难以及路径安全性问题.数值仿真结果显示该算法不仅能在大范围内得到优化姿态路径,同时满足所有约束.     

有扰情况下欠驱动刚性航天器旋转轴稳定研究

研究欠驱动刚性航天器受到正弦干扰力矩作用时的旋转轴指向稳定控制问题。采用欧拉-泊松形式描述航天器的运动方程,然后分别针对轴对称情况和非轴对称情况设计控制律,并结合Lyapunov直接法和LaSalle不变性定理证明控制律的全局渐近稳定性。理论分析和仿真结果都表明新的控制律能够实现旋转轴指向全局渐近稳定。     

欠驱动挠性航天器的单轴指向控制

研究欠驱动挠性航天器的单轴指向控制问题,该问题理论上涉及高维控制系统的非线性控制
,工程上对于航天器配置优化和提高控制系统可靠性非常重要。为此,提出了两段控制方法
：第一段是角速度镇定,第二段是在初始角速度为小量时的单轴指向控制。在此基础上,将
两段控制结合提出了完整的单轴指向控制算法,该算法能够有效保证闭环控制系统的大范围
渐近稳定性。理论分析和仿真结果验证了所提出控制方法的有效性。     

Control analysis of an underactuated spacecraft under disturbance

Based on the nonlinear controllability theory, this paper analyzes the attitude controllability for an underactuated spacecraft using two or one thrusters in sequence. In order to provide a preconditional guide on designing the control law for the underactuated attitude control system in the actual case, the underactuated spacecraft with respect to the orbit frame is investigated in the presence of periodical oscillation disturbance. First, attitude dynamic model was established for an underactuated spacecraft actuated by three thrusters, one or two of which has failed separately, and the special orthogonal group (SO(3)) is deployed to describe the attitude motions. Second, Liouville theorem and Poincaré’s recurrence theorem were used to confirm that the drift field is Weakly Positively Poisson Stable (WPPS). Furthermore, the sufficient and necessary condition of controllability was obtained on the basis of Lie Algebra Rank Condition (LARC). Finally, according to the case of two available thrusters, angular velocity stabilization and three-axis attitude stabilization control laws are designed, and proved by Lyapunov stability theory and LaSalle invariant theorem. The analysis and simulation results illustrate the feasibility of the proposed control law.     

圆轨道欠驱动航天器编队重构脉冲控制

针对圆轨道径向或迹向欠驱动航天器编队重构控制问题,提出了欠驱动脉冲控制方法。首先,基于圆轨道欠驱动航天器相对运动动力学模型,分析了两类欠驱动条件下的系统可控性和重构可行性。然后,解析推导了两类欠驱动条件下实现重构所需的最少脉冲次数以及对应的速度增量消耗。最后,设计数值仿真算例,验证了本文提出的欠驱动脉冲控制方法的正确性。仿真结果表明:径向和迹向欠驱动条件下均可实现圆轨道编队重构。与全驱动控制方法相比,欠驱动控制方法可有效避免由推力器故障引起的重构任务失效,故而提高了控制系统的灵活性与可靠性。     

间接Legendre伪谱法的欠驱动航天器姿态运动轨迹跟踪

针对仅带有两组喷气推力器的非轴对称欠驱动刚性航天器,提出一种基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法。首先采用Legendre伪谱法(LPM)离线规划出系统的最短时间姿态机动参考轨迹。接着将实际运行轨迹与参考轨迹之间的偏差作为变量,根据Pontryagin极小值原理必要条件把系统姿态运动跟踪问题转化为一个两点边值问题(TPBVP)。最后采用 Legendre-Gauss-Lobatto(LGL)点将此两点边值问题离散转化为一个线性方程组来求解,避免了对传统Riccati微分方程的积分运算。数值仿真校验了本文基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法的有效性。     

欠驱动航天器的分段解耦姿态控制

研究欠驱动航天器姿态控制系统设计问题。首先给出了欠驱动航天器的姿态动力学方程和运动学方程。然后,基于系统模型的特点,采用分段解耦控制的思想,依次为动力学系统和运动学系统设计了渐近稳定的控制律,使航天器进入三轴稳定状态或自旋稳定状态。最后通过数值仿真验证了分段解耦控制方法的有效性。     

零角动量欠驱动航天器逆最优稳定控制律设计

研究轮控式零角动量欠驱动航天器姿态最优稳定控制问题。考虑到该类型航天器不存在定常光滑稳定控制律的特点,通过Lyapunov直接法和Backstepping方法设计了一种非线性不连续反馈控制律,同时得到控制Lyapunov函数（CLF）,并由此得到逆最优稳定控制律。该控制律可以避开求解Hamilton-Jacobi方程,最小化某一代价函数,同时具有扇形稳定裕度,对输入不确定性具有一定的鲁棒性。数学仿真结果表明,所设计的非线性不连续反馈控制律能够使姿态渐近稳定至平衡点,并具有最优性,以及在转动惯量存在不确定性时,扇形稳定裕度使系统具有一定的鲁棒性。     

欠驱动航天器姿态稳定的分层滑模控制器设计

利用分层滑模控制方法,为带两个控制执行机构的欠驱动刚体航天器的姿态控制系统设计了一种三轴稳定控制器。首先,给出了基于两个推力器的欠驱动航天器的姿态动力学和运动学模型,分析了其模型特点。其次,将子系统的变量进行组合定义成第一层滑模面,利用Filippov等效定理求出等效控制律。然后依次构造出第二层滑模面及第三层滑模面,根据滑模控制原理求出切换控制律,进而得到总的控制量。利用Lyapunov稳定性理论和Barbalat引理及推论证明了各层滑模面的全局渐近稳定性。仿真实验验证了该控制方法的有效性。