空间绳系机器人抓捕后复合体姿态协调控制

针对空间绳系机器人对目标抓捕后的复合体姿态稳定控制问题进行了研究.首先,对复合体进行动力学建模,并对其动力学特性进行了分析;然后,考虑复合体的特点、空间绳系机器人燃料有限以及自身姿态控制力的限制,分别设计了系绳主动拉力与推力器推力协调控制器和基于滑模变结构的全推力控制器,并设计了其切换条件,利用两种控制器切换对姿态进行稳定控制;最后,利用仿真实验验证了所提方法的正确性.仿真结果表明,系绳拉力和推力器协调控制方法能够实现对姿态的稳定控制,并且有效地节省姿态控制过程中的燃料消耗.     

空间非合作目标惯性参数的Adaline网络辨识方法

空间在轨操作中,航天器在对空间非合作目标的抓捕行动常常导致航天器本体的姿态和空间轨迹发生变化。为克服空间非合作目标对航天器本体动力学、运动学的影响,使控制系统做出精准及时的姿控策略调整,确保航天器正常在轨工作和轨迹姿态的高精度,需对抓捕的非合作目标的惯性参数进行辨识。针对传统辨识方法依赖广义逆求解导致的辨识过程运算量大,且数值容易产生剧烈振荡,造成辨识结果不稳定等不足,采用基于归一化最小均方（NLMS）准则的Adaline神经网络方法进行空间非合作目标惯性参数的辨识。首先,基于动量守恒理论建立抓捕后的航天器-机械臂-空间非合作目标系统模型;然后将辨识方程的系数矩阵作为网络的输入和输出,空间非合作目标的惯性参数作为神经网络的训练权重,基于迭代步长可变的NLMS准则实现对目标惯量参数的快速、准确辨识;最后,在构造的ADAMS/MATLAB联合仿真平台上进行了验证。仿真结果表明,基于NLMS准则的Adaline神经网络是一种快速、准确辨识目标惯量参数的有效方法。     

非合作航天器姿态接管无辨识预设性能控制

在对非合作航天器进行姿态接管控制时,可能面对目标航天器参数未知、构型改变引起的不确定性及目标施加的非合作控制输入等挑战。针对上述问题提出了一种基于预设性能控制理论的非合作航天器姿态接管控制方法。首先,建立了姿态跟踪运动的非奇异拉格朗日型模型;然后,利用跟踪微分器构造不包含角速度信息的广义状态量,设计无需参数辨识的非奇异预设性能控制器,并证明了系统状态变量的有界性和控制系统在预设的性能指标以内。最后,通过数值仿真验证了所提出方法的有效性及其对时变参数不确定性和非合作控制输入的鲁棒性。     

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。     

空间细胞机器人接管控制的分布式控制分配

采用接管控制技术延长航天器寿命为在轨服务提供了一种新思路,本文提出一种利用空间细胞机器人实施航天器接管控制的方案。针对空间细胞机器人实施接管控制的控制分配问题,建立了空间细胞机器人实施接管控制的动力学模型。为实现分布式控制分配,提出了一种基于CBBA算法的接管控制分配算法,利用自由市场机制实现控制分配的分布和异步计算。综合考虑了执行能力匹配、剩余能量和执行器输出限制,定义了空间细胞机器人的收益函数,空间细胞机器人通过自由拍卖和一致性协商完成控制任务的分配。通过蒙特卡罗分析,将本文算法与集中式分配算法零空间修正伪逆法相比较并进行参数影响分析,本文算法在保证分配精度的情况下,具有能量均衡等能力。     

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。     

串并联混合型末端执行器设计与柔顺控制研究

包含末端执行器设计及柔顺控制方法的在轨柔顺抓捕技术是空间机械臂进行空间探索与实验的基础。基于DELTA型并联机械臂,拓展设计了针对非合作目标抓捕的空间机械臂串并联混合型末端执行器及其基于主动柔顺控制的位置-力阻抗控制器。利用ADAMS与MATLAB对末端执行器系统进行了控制仿真,分析了影响柔顺抓捕控制的关键参数。结果证明设计的末端执行器可以有效地对非合作目标进行抓捕,且抓捕具有一定的柔顺特性;表明影响柔顺抓捕控制的关键环境阻抗参数为环境刚度。     

基于全驱系统方法的组合航天器位姿自适应预设性能控制

针对非合作航天器被成功捕获后所形成的组合航天器的位姿控制任务,考虑系统中含有的未知扰动的影响,设计了一种基于全驱系统方法的自适应预设性能控制器。根据欧拉姿态动力学方程和轨道动力学方程,建立了简洁的组合航天器位姿动力学方程;通过引入预设性能函数,对组合航天器位姿误差的瞬态和稳态性能进行约束;进一步应用全驱系统方法,对带有未知扰动的组合航天器位姿误差系统设计自适应预设性能控制器;此外,通过构造Lyapunov函数证明了所提出的控制器的稳定性;最后,数值仿真结果和半物理仿真实验结果表明,在所设计的控制器作用下,组合航天器能够实现精确的位姿控制,同时系统的状态误差始终收敛于预设性能包络内,验证了所设计控制器的有效性和实用性。     

空间绳系机器人捕获目标后的面内自适应回收方法

在空间绳系机器人(TSR)捕获目标星后,操作机构与目标星形成质量、惯量和系绳连接点位置等参数未知的组合体,且系绳长度、偏角与组合体姿态严重耦合,控制输入严格受限,回收控制十分困难。针对其回收难题,综合考虑系绳长度、系绳偏角与组合体姿态,利用拉格朗日法建立了轨道面内的动力学模型,并基于动态逆理论设计了一种自适应抗饱和回收控制方法。首先,在对组合体质量、惯量与系绳连接点进行在线估计的基础上,设计一种自适应动态逆回收控制器;然后,设计辅助变量对控制输入进行补偿,解决控制输入受限问题;最后进行仿真验证。仿真结果表明,在线估计器能够快速有效地估计组合体动力学参数,回收控制系统能够利用受限的控制输入克服抓捕时刻的系绳偏角和组合体姿态扰动,并沿设计的回收轨迹实现稳定有效回收。     

基于退步法的敏捷航天器姿态控制方法

主要研究敏捷航天器大角度姿态机动问题。首先,以SGCMG(Single Gimbal Control Momentum Gyroscope,单框架控制力矩陀螺)为执行机构,建立了基于四元数的航天器姿态机动数学模型;然后,针对SGCMG的奇异问题,研究了基于力矩输出和回避奇异能力最优的联合操纵律;最后,基于敏捷航天器姿态误差模型和李雅普诺夫稳定理论设计了一种退步控制律。仿真结果表明,该控制方法能够很好地实现大角度机动目标并有效避免了SGCMG的奇异状态,满足姿态机动任务的控制精度和稳定度要求。     

基于特征模型的失效航天器消旋控制

失效航天器一般有复杂的运动和较大的角速度,采用机械臂直接抓捕目标容易导致非预期碰撞,如果先采用接触式消旋操作降低目标角速度,会大大降低服务卫星抓捕目标的难度。针对空间翻滚非合作目标的接触式消旋控制存在接触动力学模型不确定性的问题,提出了一种基于特征模型的自适应控制方法。首先通过接触式消旋的物理机理分析,建立消旋系统动力学模型;进一步在动力学特性分析基础上构建描述接触碰撞后目标角速度的特征模型,并确定模型参数范围;然后基于该模型设计黄金分割自适应控制律。仿真结果表明,该方法有效克服了消旋过程中接触碰撞模型存在的不确定性,并且消旋速度快且消旋后的残余角速度小。     

在轨服务航天器对目标的相对位置和姿态耦合控制

研究在轨服务航天器自主逼近与捕获目标航天器过程中的相对位置和姿态耦合动力学与控制问题.考虑控制输入耦合,建立服务航天器对目标航天器的相对位置和姿态一体化耦合动力学模型.基于此耦合动力学模型,考虑相对位置跟踪中的控制指令耦合和控制输出受限,利用反馈线性化理论,设计相对位置和姿态一体化耦合控制算法.并利用李雅普洛夫理论证明...     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入对航天器相对位置、姿态控制的需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿Z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

柔性航天器振动主动抑制及姿态控制

针对柔性航天器柔性附件振动主动抑制及姿态高精度快速稳定问题,研究了一种输入成形器（IS）-自适应有限时间干扰观测器（FDO）-有限时间积分滑模控制器综合的设计方法。首先,基于柔性模态的频率及阻尼信息,获得能够有效抑制柔性振动的输入成形器形式,并与系统参考输入进行卷积,得到期望参考输入;其次,基于航天器动力学模型,设计一种新型的自适应有限时间干扰观测器,避免了综合干扰上界必须已知的约束,且保证干扰估计误差有限时间收敛至零,实现对干扰及残余振动影响的快速精确估计;最后,基于观测器的估计值,设计多变量有限时间积分滑模控制器,保证对期望参考输入的高精度快速跟踪控制,并进行严格的稳定性证明。仿真结果表明,该综合设计策略能够保证柔性附件振动抑制75%,姿态稳定度达到10^-4数量级。     

自由翻滚故障卫星外包络抓捕及抓捕路径优化

自由翻滚故障卫星抓捕是航天器在轨服务及空间碎片清理的基础。由于难以确定固定抓捕点及目标运动参数不确定,传统机械臂抓捕方法无法适用类似自由翻滚故障卫星的空间非合作目标。提出一种具有鲁棒性的外包络抓捕方法及抓捕路径优化方案。外包络抓捕方式能够适用于自由翻滚故障卫星抓捕问题,其特点在于,第一,由抓捕末端执行器构成的抓捕包络可以包络空间目标,约束其运动并最终实现抓捕,因此不需要固定抓捕点;第二,末端执行器构成的抓捕包络,能够约束故障卫星运动,而两者之间的摩擦可以有效消除两者之间的相对运动最终成功抓捕翻滚目标。进一步,针对外包络抓捕方法,提出了一种最小燃料消耗及最小抓捕扰动的机械臂抓捕路径。为验证外包络抓捕方法的有效性,构建旋转立方星抓捕地面实验,并利用数值仿真验证外包络抓捕机械臂最优路径规划,仿真结果验证了所提出方法的有效性。     

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。     

捕获非合作目标后航天器的自主稳定技术研究

捕获非合作目标后航天器质量特性发生突变,这大大地增加了系统的不确定性,控制不当容易导致失稳.为避免控制过程中航天器出现较大系统干扰问题,提出了先识别捕获后的系统质量特性,而后合理摆放非合作目标的自主稳定策略.首先,对航天器捕获过程和自主稳定策略进行了描述;其次,依据动量矩定理建立了非合作目标与航天器组合系统的数学模型,推导了非合作目标位置与质量特性之间的关系;然后,基于航天器数学模型和姿态测量信息,采用非线性规划方法对质量特性进行了辨识;最后,利用滑模变结构理论设计了非合作目标的控制回路,采用Lyapunov理论对系统的稳定性进行了分析.仿真结果表明:本文提出的自主配平策略响应快、精度高,适合在轨服务.     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

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。     

基于轨迹跟踪的飞行器大角度姿态机动物理仿真

针对空间飞行器大角度姿态机动控制具有非线性,并要求控制器具有较高的指向精度、姿态稳定度及鲁棒性等特点,应用轨迹跟踪控制算法,设计了比例微分控制器。系统采用DSP作为星载计算机、光纤陀螺作为姿态敏感器、反作用飞轮作为执行机构、系统程序采用C语言编程,利用单轴气浮仿真实验台实现了物理仿真实验。实验结果证明该控制方法能实现飞行器大角度机动控制,控制过程中能准确跟踪预定轨迹,还表现出较好的鲁棒性。