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。     

航天器自适应快速非奇异终端滑模容错控制

针对存在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障的航天器姿态跟踪控制问题,提出了基于自适应快速非奇异终端滑模的有限时间收敛控制方案。通过引入能够避免奇异点的具有有限时间收敛特性的快速非奇异终端滑模面,设计了满足多约束的有限时间姿态跟踪容错控制器,并利用参数自适应方法使控制器设计不依赖于系统惯量信息和外部干扰的上界。此外,所设计的控制器显式考虑了执行器输出力矩的饱和幅值特性,使航天器在饱和幅值的限制下完成姿态跟踪控制任务,并且无须进行在线故障估计。Lyapunov稳定性分析表明：在外部干扰、转动惯量矩阵不确定、控制器饱和以及执行器故障等约束条件下,所设计的控制器能够保证闭环系统的快速收敛性,而且对控制器饱和与执行器故障具有良好的容错性能。数值仿真校验了该控制器在姿态跟踪控制中的优良性能。     

挠性航天器的退步直接自适应姿态跟踪控制

针对参数不确定的挠性航天器姿态跟踪控制问题,提出了一种退步直接自适应控制算法。首先验证了挠性航天器动力学子系统的近似严格正实性,并设计了具有理想控制性能的参考模型;然后对以姿态四元数描述的运动学子系统设计常系数输出反馈中间控制律,使航天器姿态四元数输出渐近跟踪参考模型输出;最后退一步,对具有参数不确定特性的动力学子系统,基于非线性直接自适应控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了退步直接自适应姿态跟踪控制器,并证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明,所提控制方法能有效抑制挠性附件的振动,对挠性航天器的控制是有效的。     

基于有向图的航天器编队飞行自适应姿态协同控制

在有向通信拓扑下研究了编队航天器自适应姿态协同控制问题。针对航天器编队飞行系统中存在外部扰动和模型不确定性的情况,通过选取包含相对姿态误差和绝对姿态误差的辅助变量,提出了一种鲁棒自适应控制策略。提出了自适应律估计转动惯量矩阵和扰动上界等未知参数,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。与滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于航天器编队飞行系统的实现。最后通过仿真验证了该控制策略能够实现高精度的编队飞行跟踪控制。     

空间机器人抓捕目标后姿态接管控制

针对姿轨控系统已经失效的目标航天器姿态控制问题,提出一种空间机器人抓捕目标后姿态接管控制方法。该方法首先利用空间机器人抓捕目标航天器,并保持在固定构型形成组合航天器;其次确定参数突变后组合航天器新的惯量主轴、主惯量和控制力矩分配矩阵;然后在状态空间建立组合航天器的非线性误差姿态动力学;最后采用-α稳定度设计方法来设计服务航天器的SDRE姿态接管控制器,并通过θ-D求解方法得到SDRE控制器的次最优控制律,实现服务航天器对目标航天器的姿态接管控制。仿真结果表明,相比传统的SDRE控制器设计,基于-α稳定度设计的SDRE控制器能够使得系统闭环极点远离虚轴,θ-D求解方法可以降低计算量,因此具有更好的稳定性和实时性。     

基于相似反对称结构的航天器自适应姿态跟踪控制器设计(英文)

提出了一个存在外部干扰和转动惯量未知条件下的自适应航天器姿态跟踪控制器。将非自治相似反对称结构作为闭环的期望结构。在这一结构基础之上,利用惯量矩阵的对称正定性,提出了一种新的逆推方法进行姿态控制器设计。并通过利用外部干扰的线性参数化形式,提高了姿态跟踪精度。仿真结果表明了本文设计方法的有效性。     

基于横截函数的欠驱动航天器姿态跟踪方法

针对航天器姿态跟踪任务,考虑一种配置2个独立动量交换型执行机构的欠驱动航天器,提出了一种基于横截函数的任意姿态轨迹跟踪控制律。利用三维特殊正交群SO(3)建立航天器姿态运动学方程,并基于动量守恒条件,将动力学方程与运动学统一写成以执行机构输出角动量为控制输入的降阶系统。利用横截条件与Lie代数秩条件构造基于SO(3)的横截函数,其本质为能够任意逼近平衡点的一个嵌入子流形,并基于横截函数与姿态误差建立降阶跟踪控制系统的伴随系统。针对伴随系统,提出了一种光滑静态反馈控制律,利用Morse函数证明了对于任意轨迹闭环系统的最终有界稳定性。进一步针对可行轨迹,基于零动态系统设计了横截函数的参数自调整律,使得在零动态时横截函数趋近跟踪系统的平衡点,证明了闭环系统具有指数稳定性。最后,通过数值仿真验证了提出控制器的有效性。     

空间非合作航天器抓捕后姿态抗干扰控制

针对空间非合作航天器抓捕后存在未知不确定惯性参数的柔性组合体姿态稳定控制问题,基于中间状态观测器设计方法提出了一种新的姿态稳定抗干扰控制方法,同时考虑了诸多扰动及控制输入受限问题。研究结果表明,传统的姿态稳定控制方法需要已知柔性航天器惯性参数信息及状态信息,上述信息未知情况下会使姿态难以高精度稳定控制,且容易导致控制输入不满足受限要求。针对该问题,考虑控制输入幅值及变化率受限前提,提出了一种基于中间状态观测器的抗干扰控制方法,通过引入辅助变量构造新型中间状态观测器,同时估计组合体状态信息及综合干扰,设计出了一种新的组合体姿态稳定抗干扰控制器。通过Lyapunov稳定性分析方法证明了所设计的控制器能够保证闭环系统的全局渐近稳定性。相比于已有的混合H₂/H_∞控制器,所提出的抗干扰控制器在应用时不需要柔性组合体的姿态及模态信息,并且也不需要惯性参数的辨识过程。最后,通过给定参数进行仿真对比,进一步验证了所设计控制器的有效性和优越性。     

存在物理约束的时变转动惯量航天器姿态控制

对存在角速度和控制输入有界的快速机动航天器姿态控制问题，设计了一种自适应双环姿态跟踪控制器。将虚拟有界角速度作为运动学方程的虚拟控制输入，使姿态控制问题降阶为角速度跟踪问题；构建递归自适应算法估计时变转动惯量及其微分，并基于障碍李亚普诺夫函数和线性回归算子，设计了角速度跟踪误差有界的变增益自适应姿态控制器。结果表明：该控制策略能使抓捕非合作目标航天器的姿态呈指数收敛到期望轨迹，且收敛轨迹不受外部干扰和抓捕瞬间的强干扰影响；在整个控制过程中，航天器的角速度小于0.4 rad/s，控制力矩小于10 N·m，满足了航天器对角速度和控制输入有界的物理限制。     

三轴轮控航天器姿态大角度机动控制器设计

研究了飞轮作为执行机构的航天器姿态大角度机动问题。建立了飞轮控制的姿态动力学模型;基于Lya-punov稳定性定理,设计了闭环控制器并给出了参数自适应律的解析表达式;分析了有界噪声作用下该模型的控制效果。仿真结果表明,所设计的控制器具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。     

Adaptive Spacecraft Attitude Tracking Controller Design Based on Similar Skew-symmetric Structure

This article presents an adaptive attitude tracking controller with external disturbances and unknown inertia parameters. The similar skew-symmetric structure is extended from the autonomous case to the non-autonomous case. The non-autonomous similar skew-symmetric is chosen as the desired structure of the closed loop system for attitude controller design. Based on this structure, a novel adaptive backstepping scheme is proposed to design the attitude controller by taking full advantage of the symmetry and the positive definiteness of the inertia matrix. The attitude tracking precision is enhanced by employing the linear parameterized form of the external disturbance torques. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed attitude controller.     

航天器有限时间自适应姿态跟踪容错控制

非刚体航天器存在时变的惯量、执行器完全失效或衰退故障以及外界干扰的情况,提出一种有限时间自适应姿态跟踪容错控制方法。首先,基于有限时间理论和自适应方法,设计惯量不确定性自适应估计项和外界干扰参数自适应估计项进行系统补偿,克服惯量不确定性和抑制外界干扰;然后,基于容错控制和双幂次方法,设计一种自适应有限时间姿态跟踪容错控制算法,并且利用Lyapunov稳定性理论证明所提算法能够保证航天器姿态跟踪系统实际有限时间稳定;最后,对仿真结果进行验证。结果表明:所提有限时间姿态跟踪容错控制方法是有效的。     

刚体航天器姿态跟踪系统的自适应积分滑模控制

 采用自适应滑模控制(ASMC)技术进行姿态跟踪系统设计时,切换增益的整定不需要外部干扰及惯量阵不确定性的上界信息。但现有自适应滑模控制方法存在过度适应问题,产生的切换增益远大于控制所需值。为解决该问题,在自适应滑模控制框架内开展了刚体航天器姿态跟踪控制研究。首先对切换增益自适应机制进行分析,揭示了造成过度适应问题的原因。然后利用积分滑模控制的全局滑模特点,消除了初始跟踪误差对自适应过程的影响,提出了一种自适应积分滑模姿态跟踪控制方法。理论分析和仿真结果表明该方法能够有效减小切换增益。     

Adaptive fault-tolerant attitude tracking control for spacecraft with time-varying inertia uncertainties

This paper is devoted to adaptive attitude tracking control for rigid spacecraft in the presence of parametric uncertainties, actuator faults and external disturbance. Specifically, a dynamic model is established based on one-tank spacecraft, which explicitly takes into account changing Center of Mass(CM). Then, a control scheme is proposed to achieve attitude tracking.Benefiting from explicitly considering the changing CM during the controller design process, the proposed scheme possesses good robustness to parametric uncertainties with less fuel consumption.Moreover, a fault-tolerant control algorithm is proposed to accommodate actuator faults with no need of knowing the actuators' fault information. Lyapunov-based analysis is provided and the closed-loop system stability is rigorously proved. Finally, numerical simulations are presented to illustrate the effectiveness of the proposed controllers.     

Decentralized attitude synchronization tracking control for multiple spacecraft under directed communication topology

This paper studies the attitude synchronization tracking control of spacecraft formation flying with a directed communication topology and presents three different controllers. By introducing a novel error variable associated with rotation matrix, a decentralized attitude synchronization controller, which could obtain almost global asymptotical stability of the closed-loop system, is developed. Then, considering model uncertainties and unknown external disturbances, we propose a robust adaptive attitude synchronization controller by designing adaptive laws to estimate the unknown parameters. After that, the third controller is proposed by extending this method to the case of time-varying communication delays via Lyapunov–Krasovskii analysis. The distinctive feature of this work is to address attitude coordinated control with model uncertainties, unknown disturbances and time-varying delays in a decentralized framework, with a strongly connected directed information flow. It is shown that tracking and synchronization of an arbitrary desired attitude can be achieved when the stability condition is satisfied. Simulation results are provided to demonstrate the effectiveness of the proposed control schemes.     

Adaptive Integral-type Sliding Mode Control for Spacecraft Attitude Maneuvering Under Actuator Stuck Failures

A fault tolerant control (FTC) design technique against actuator stuck faults is investigated using integral-type sliding mode control (ISMC) with application to spacecraft attitude maneuvering control system. The principle of the proposed FTC scheme is to design an integral-type sliding mode attitude controller using on-line parameter adaptive updating law to compensate for the effects of stuck actuators. This adaptive law also provides both the estimates of the system parameters and external disturbances such that a prior knowledge of the spacecraft inertia or boundedness of disturbances is not required. Moreover, by including the integral feedback term, the designed controller can not only tolerate actuator stuck faults, but also compensate the disturbances with constant components. For the synthesis of controller, the fault time, patterns and values are unknown in advance, as motivated from a practical spacecraft control application. Complete stability and performance analysis are presented and illustrative simulation results of application to a spacecraft show that high precise attitude control with zero steady-error is successfully achieved using various scenarios of stuck failures in actuators.