基于二阶锥优化的饱和及禁区约束下的航天器姿态控制（英文）

研究了姿态禁区约束、角速度和控制力矩饱和约束下的航天器姿态机动问题。为了解决实际问题中的强非线性和非凸问题,提出了采用二阶锥优化方法来求解路径。具体来说,非线性的运动学和动力学通过松弛和转化为标准的仿射形式,并采用线性化和L1罚函数方法将问题中的非凸约束进行凸化。提出了基于角速度的二次性能指标,采用逐次迭代的二阶锥优化算法得到航天器姿态机动路径。最终,通过数值仿真验证了算法的有效性。     

在约束条件下集值全局真有效点集的连通性

讨论全局真有效点集在局部凸拓扑线性空间中的连通性。在可行域为非空的一般紧子集、约束集上的目标集值映射是上半连续且为锥类凸的、约束映射为上半连续的情况下,通过对对偶锥上的集值映射连通性的证明,给出了含约束锥类凸的集值优化问题全局有效点集的非空连通性定理。此结论是在相对较弱的条件下得到的,这就使目前的全局真有效点集连通性的相关结论得到了进一步拓展。     

编队卫星相对轨道与姿态一体化耦合控制

采用单个连续小推力推力器以及反作用飞轮作为执行机构的编队卫星相对轨道与姿态耦合控制问题。采用单个连续小推力推力器时,相对轨道控制推力作用时间较长,同时在任意时刻或一段时间内推力矢量不能指向空间任意方向,且其依赖于卫星当前姿态和姿态机动能力;一些编队任务对姿态确定精度有较高要求,为了能够提供较高的姿态测量精度,星敏感器应避免对准太阳,因此姿态动力学的非凸性和非线性使得编队耦合控制问题进一步复杂化。考虑以上约束,采用高斯伪谱法把连续控制问题直接转换成离散形式非线性规划问题。最后以双星编队队形初始化最优控制为例进行数学仿真,结果表明了该方法的有效性和实用性。     

捷联惯导系统的圆锥误差补偿算法研究

非互易向量的确定与补偿是影响高动态、恶劣振动环境下捷联惯性导航系统姿态矩阵计算的重要问题。为了补偿由此引起的圆锥误差，本文对一些传统算法进行了分析和研究。由于以往各种算法一般都需要输入信息为角度信息，但对于高动态、恶劣振动环境，角速度信息更有工程意义，所以针对输入信息为角速度的情形，提出了一类新的姿态算法，通过对比传统的算法，新算法在同样计算量、存储量的情况下有较优的性能，算法的精度较传统的算法高。另外，对新的姿态算法进行了误差分析．为其参数选择提供了选择标准，有工程实用价值。     

MEMS微惯性姿态系统的环境适应性优化设计技术

分析了MEMS微惯性姿态系统温度及载体运动等环境因素对MEMS惯性传感器的影响和姿态系统的关键技术;针对MEMS惯性器件的热环境优化,建立了基于有限元分析方法的热分析模型,仿真分析了散热设计方案,基于微惯性姿态系统样机,试验验证了散热设计的有效性;针对MEMS惯性传感器误差的强非线性特性,建立了全温范围分段线性误差补偿模型,改进了误差标定方法,有效提高了MEMS惯性器件的精度;分析了微惯性姿态组合算法的适用性条件,优化设计了基于载体飞行状态的微惯性姿态系统姿态滤波的约束条件。转台试验和飞行试验充分验证了环境适应性优化设计方法和结果的有效性,全程飞行条件下姿态误差优于2.5°,稳定飞行阶段姿态误差优于1°,该系统可满足姿态备份和微小型无人飞行器的应用需求。     

锥运动环境下旋转矢量的三子样二次迭代优化算法

文章推导了三子样二次迭代捷联惯导姿态更新算法,提出了以锥误差最小为优化标准的三子样二次迭代优化算法,并对单回路的三子样、四子样,以及双同路的二子样、三子样的算法漂移进行了对比计算,发现三子样二次迭代优化算法优于其余三种算法.     

基于无迹卡尔曼滤波的柔性自由翻滚目标姿态估计

在进行在轨维修以及清除等任务时,需要确定航天器的姿态四元数和角速度。失效卫星常处于自由翻滚状态,通常带有柔性帆板,其运动规律相较于刚性帆板更为复杂。一方面,空间失效卫星的姿态确定常使用激光雷达、双目相机作为测量装备,其测量精度常受到光照、磁场等的影响,会对识别精度产生较大干扰。另一方面,柔性航天器的质量特性容易发生变化,导致很难对其动力学模型进行精确描述。针对柔性自由翻滚目标的状态难以获取的问题,本文提出基于无迹卡尔曼滤波的姿态估计方法,并采用神经网络补偿柔性航天器模型误差。仿真结果显示：无损卡尔曼滤波器(Unscented Kalman filter,UKF)算法对柔性航天器的姿态四元数预测误差值在10^-3范围内,角速度误差值最高0.08 rad/s,采用神经网络补偿动力学模型后对四元数的预测误差稳定在9×10^-4范围内,角速度误差稳定在1.5×10^-3范围内。结果表明,使用神经网络补偿柔性航天器动力学模型的不确定项之后,UKF对柔性自由翻滚目标的姿态估计精度满足工程要求。     

Banach空间中的非线性补问题

本文研究Banach空间中非线性补问题解的存在性和唯一性，得到了自反的Banach空间中凸锥上一类严格单调映射的补问题解的存在性和唯一性结果以及自反的Banach空间中局部弱紧闭凸锥上两个非线性算子之差的补问题解的存在性结果。     

传感器饱和约束下网络化系统的故障检测

针对通信带宽受限和传感器饱和约束的网络环境,通过引入一种基于事件触发机制的传输策略,研究一类网络化动态系统的故障检测问题。首先,以全阶滤波器作为残差发生器并利用状态增广的方法将原系统故障检测问题转化为H∞滤波问题;然后,利用Lyapunov稳定性理论和时滞系统自由权阵分析方法建立了故障检测滤波器的存在条件,并基于此条件求解凸优化问题得到最优滤波器参数;最后,通过数值仿真验证所提出事件触发机制故障检测方法的有效性。     

基于非线性模型预测控制算法的亚轨道再入轨迹优化

针对升力式飞行器再入终端需要满足窗口约束条件的情况,提出了一种基于模型预测算法的再入轨迹优化方法。该方法利用预测模型和滚动优化策略将非线性多约束优化问题转化为线性优化目标函数,并采用二次规划法求解该轨迹优化问题,得到了满足相应约束的亚轨道再入轨道。以某升力式再入飞行器为对象进行了纵向轨迹优化计算,仿真结果验证了该轨迹优化方法具有较高的精度和计算效率。     

一类非线性双层规划问题的罚函数

文章对含约束的非线性双层规划问题,提出了一种罚函数的构造,先对下层规划进行等价处理,再对上层函数构造罚函数,使其转化成单层无约束规划问题,使得它能采用无约束优化方法中许多有效的解析方法.     

无人机绕速度矢量轴滚转机动自适应滑模边界保护控制

针对无人机绕速度矢量轴滚转机动下状态易越界的问题,研究了一种自适应滑模边界保护控制方法。首先,基于二分法思想改进可达平衡集并引入指令约束方法,进而实现在线边界解算与约束指令生成。其次,为抑制不确定性和外部未知干扰对闭环系统的不利影响,利用径向基神经网络逼近系统不确定性并设计非线性二阶干扰观测器估计复合干扰,进一步设计自适应滑模边界保护控制器以实现无人机在安全边界内的姿态跟踪。最后,通过数值仿真验证了自适应滑模边界保护控制方法的有效性。     

面向空间引力波探测的非接触式卫星平台无拖曳控制技术

空间引力波探测任务中,为保证作为惯性基准的检验质量不受扰动,航天器需采用高精度无拖曳控制技术,让卫星平台实时跟踪检验质量块。同时星间激光测距对航天器的指向也提出了较高要求。为满足空间引力波探测的需求,本文提出了一种基于非接触式卫星平台的无拖曳控制方法。该方法基于分舱式卫星平台设计,利用载荷舱与平台舱之间的磁浮机构替代传统无拖曳卫星中的微推进器来控制载荷舱,让载荷舱跟踪检验质量块,同时平台舱跟踪载荷舱,实现高精度的拖曳补偿和平台指向。仿真结果表明,非接触式卫星平台姿态指向精度为6×10^{-4 o},姿态指向稳定度为2×10^-4(°)/s,无拖曳补偿后检验质量上的残余扰动加速度水平约为10^-15m/(s²·Hz^1/2)。     

不确定非线性系统的鲁棒输出跟踪

研究了一类具有参数不确定性和外界干扰的仿射非线性系统鲁棒输出跟踪控制问题。首先利用微分几何理论中的输入输出反馈线性化技术钭不确定线性系统通过一非线性状态变换化为线性化规范形，然后利用变结构控制的思想提出了一种基于标称系统和不确定性范数界的鲁棒输出跟踪控制器设计方案，并用李雅普诺夫稳定性理论证明了利用本文设计的跟踪控制器可保证闭环系统是有界稳定的，且稳态输出跟踪误差为零。由于所设计的跟踪控制律连续，克服了常规变结构控制方案可能引起的高频抖振现象。将本文结论应用于一空间飞行器的姿态跟踪控制问题，仿结果表明了该设计方法的有效性。     

航天器姿态滑模变结构控制系统的设计

给出了航天器三轴动力学和四元数姿态运动学方程。在分析滑模变结构控制的基本原理和设计方法的基础上，通过二次型最优法解出航天器姿态角速度与姿态角之间的函数关系，进而得到滑动平面。在此基础上，应用滑模变结构控制方法对航天器姿态控制系统进行了设计和仿真，并与PID控制系统进行了分析比较。仿真结果表明，滑模控制系统具有良好的动态品质和稳态性能，体现了变结构控制的突出优点，对系统摄动和外加干扰具有极强的鲁棒性和自适应性。     

倾转三旋翼无人机倾转定高控制研究

针对倾转旋翼无人机在倾转过程中的高度控制问题,提出一种基于灰狼优化的神经网络自适应控制方法,用于一种倾转三旋翼无人机倾转过程的飞行控制.首先,建立了无人机的非线性数字仿真模型;其次,基于神经网络自适应控制方法分别设计了无人机的高度控制器和姿态控制器,并用灰狼优化算法对神经网络的参数和控制器的参数寻优;再次,设计了倾转过...     

基于强跟踪滤波器的多传感器组合测姿系统

当无人机机动飞行时,采用加速度计校正陀螺误差的测姿系统不能有效地修正陀螺漂移问题,为此提出了基于强跟踪滤波器的多传感器组合测姿系统.引入GPS速度信息、捷联加速度信息和角速率信息建立了基于欧拉角描述的融合测姿系统模型,采用强跟踪滤波器对姿态进行融合估计,有效地估计出陀螺的漂移误差,从而得到无人机准确可靠的姿态测量,同时可以修正无人机的运动速度.通过建立飞行仿真模型,在给定的飞行航迹段对所提出的多传感器姿态测量系统进行了仿真研究,结果表明:测姿系统能够有效地减小模型误差的影响,估计出陀螺的漂移误差,得到更加准确的姿态测量.     

基于四元数方法的GPS航姿解算

应用ＧＰＳ载波相位双差测量来确定载体的航向和姿态需要解决两个主要问题：模糊度的确定和航姿算法。本文提出了ＧＰＳ航姿解算的四元数方法,直接利用ＧＰＳ载波相位双差 算姿态四元数,从而保证了姿态矩阵的正交性能。     

基于序列图像的非合作目标自主导航及验证

针对空间自旋或章动运动的非合作目标运动感知与估计问题,给出了一种基于序列图像的运动测量与状态估计方法。所给出的方法由两部分组成:(1)采用立体视觉测量目标三个非共线的特征点,建立目标参考系并实现相对姿态的测量;(2)采用目标运动学和动力学方程,推导了扩展卡尔曼滤波器,实现目标角速度和惯量比的估计。最后,分别给出了数学仿真和物理试验:(1)利用数学仿真验证了所给出的卡尔曼滤波估计算法在不同目标运动情况下的收敛性;(2)利用机械臂模拟目标的自旋运动,利用双目相机采集目标运动图像,试验结果验证了所给出的运动测量与状态估计方法可以连续的给出目标角速度的精确估计。     

基于观测器的分段仿射离散系统H∞控制

针对分段仿射离散系统,提出一种基于观测器的H∞控制器设计方法。采用分段二次Lyapunov函数构造耗散不等式,以保证闭环系统的稳定性和H∞性能。通过椭球体近似逼近凸多面体形式的作用域,并借用奇异值分解技术处理矩阵等式约束,从而把H∞性能指标最小化问题转化为线性矩阵不等式(Linear matrix inequality,LMI)描述的凸优化问题,并运用LMI工具箱求解。最后通过仿真实例说明所提方法的可行性。