输入受限的编队卫星分布式姿态协同控制

研究了跟踪时变参考姿态情况下的编队飞行卫星协同控制问题,提出了一种非线性饱和的分布式协同控制器。在控制器中引入了一个双曲正切函数向量,保证了连续控制输入的有界性。采用Barbalat引理对姿态跟踪情况下闭环协同控制系统的稳定性进行了分析,得出了系统渐近稳定的结论。通过对各种条件下的仿真,验证了算法的有效性,并确立了编队卫星信息流图的拓扑结构和控制器增益等因素与暂态过程中相对姿态保持性能的关系。     

一种基于共面特征点的单摄像机姿态测量方法研究

利用单摄像机采集4个共面特征点图像的方法来测量物体的相对姿态变化。系统选用IR-LED作为特征点并对其发光特性进行优化控制,利用基于双线性插值的高斯曲面拟合方法确定图像特征点的坐标,最终使用解决P4P问题的一种线性解法确定特征点坐标及位姿变化信息。进行了实物和仿真实验,并对该方法进行了不确定度分析,结果表明这种方案具有较高的准确度、实时性。     

一种圆锥运动条件下的等效旋转矢量算法研究

传统旋转矢量姿态算法一般采用陀螺的角增量信号来构造积分算法,当应用于输出为角速率的光纤陀螺捷联系统时,通过角速率提取角增量,算法会损失一定精度。提出了一种以陀螺角速率信号与角增量信号同时作为输入的改进旋转矢量姿态算法,进一步补偿了圆锥误差,提高了计算精度。仿真结果表明,该算法与传统二子样算法相比较,计算量相当,姿态精度、速度精度、位置精度有大幅度的提升。     

基于FPGA的高效机载视频采集及预处理方法

为提高机载视频编码系统的数据采集及预处理性能,以现场可编程门阵列(FPGA)为硬件平台,研究了多模式机载视频采集、颜色空间转换和视频数据传输的高效处理方法.针对机载应用需要实时采集不同模式视频的特点,设计了一种可靠的视频采集策略,通过引入错误自检机制,可以实时监测视频采集的正确性,避免视频数据的错误积累;针对机载视频颜色空间转换预处理中浮点乘法浪费计算资源和增加系统功耗的问题,设计了一种基于高低位分离的截断式查找表乘法器,减少了存储空间和计算位宽,结合流水线处理技术实现了一种高效视频颜色空间转换方法,在保证计算精度和性能的同时,处理功耗最大降低了27%;针对FPGA处理器与系统核心编码处理器(DSP)之间存在大量视频数据的频繁传输特点,结合SRIO(Serial Rapid I/O)链路的传输方式,设计了一种以FPGA为控制核心的数据交互机制,减轻了DSP的处理负担使其专注于视频编码运算,提高系统性能.      

Nutation instability of spinning solid rocket motor spacecraft

The variation of mass,and moment of inertia of a spin-stabilized spacecraft leads to concern about the nutation instability.Here a careful analysis on the nutation instability is performed on a spacecraft propelled by solid rocket booster (SRB).The influences of specific solid propellant designs on transversal angular velocity are discussed.The results show that the typical SRB of End Burn suppresses the non-principal axial angular velocity.On the contrary,the frequently used SRB of Radial Burn could amplify the transversal angular velocity.The nutation instability caused by a design of Radial Burn could be remedied by the addition of End Burn at the same time based on the study of the combination design of both End Burn and Radial Burn.The analysis of the results proposes the design conception of how to control the nutation motion.The method is suitable to resolve the nutation instability of solid rocket motor with complex propellant patterns.     

考虑摩擦的空间抓捕过程碰撞动力学分析与控制

目前针对空间抓捕中的碰撞进行建模的方法中很少考虑摩擦因素。然而,摩擦作为碰撞过程中不可避免的现象,对碰撞动力学响应及整个空间抓捕任务有着不容忽视的影响。文章结合库伦摩擦理论和拉格朗日乘子法,建立了同时兼顾滑动和粘滞状态的摩擦模型,然后将求解到的摩擦力与碰撞力进行矢量合成,作为对碰撞模型的修正。另外,针对碰撞过程对机器人姿态产生的干扰,利用反 馈线性化设计了解耦控制器对基座姿态漂移进行稳定控制。数值仿真采用一个平面2灢DOF空间机器人,利用动量和动量矩守恒定理验证了动力学模型的正确性,同时基座姿态控制结果收敛说明了控制器的有效性。     

航天器抓捕后复合体系统稳定的协调控制研究

针对航天器抓捕后由于系统质量特性和动量的改变而导致复合体系统失稳的问题,提出了两种基于角动量守恒的协调控制方法:关节阻尼控制和关节函数参数化协调控制。这两种方法通过对各关节和飞轮的速度进行协调规划和控制,实现对系统角动量的管理和重分配,在实现对目标进行停靠的同时,保证了基座的稳定性。两种方法各有优缺点,其中,关节函数参数化在实现系统稳定的同时还可使机械臂处于期望的臂型,以方便开展在轨维修等服务操作。所提出的方法将实际飞轮作为动量交换装置,具有很好的工程可实现性。仿真结果验证了方法的有效性。     

基于容积卡尔曼滤波的卫星姿态估计

为了获得更好的估计精度和滤波稳定性,提出了一种基于容积卡尔曼滤波（Cubature Kalman Filter, CKF）的容积四元数估计器（Cubature Quaternion Estimator,CQE）估计卫星姿态。新方法利用四元数进行姿态更新,同时采用广义罗德里格参数表示误差角,有效地避免了滤波过程中的奇异。为克服多传感器融合时运算效率低的问题,通过容积四元数估计器与信息滤波相结合,提出了一种容积信息四元数估计器（Cubature Information Quaternion Estimator,CIQE）。仿真表明角度和陀螺漂移初始估计误差较大时,新方法仍能取得良好的估计性能。     

推广联合滤波算法在卫星组合定姿系统中的应用

研究了不同模型下的推广联合滤波算法。基于信息融合理论和信息守恒原理，提出信息分配是信息融合的逆过程的观点，给出和证明了信息分配定理，为推广联合滤波算法提供了理论基础。以某卫星组合姿态确定系统为例，详细讨论了推广联合滤波的结构及其实现过程。理论分析和数学仿真结果表明：推广联合滤波算法比现有的联合滤波算法计算量小，且推广联合滤波算法能够同时保证全局最优和局部最优，而现有的联合滤波算法不是局部最优。     

失效航天器姿态接管的SDRE微分博弈控制

针对燃料耗尽的失效航天器姿态接管控制问题,提出多颗微卫星协同实现姿态稳定的状态相关黎卡提方程(SDRE)微分博弈控制方法。首先,将姿态接管问题转化为多颗微卫星的微分博弈问题,基于组合航天器的姿态模型和微卫星的性能指标函数建立多颗微卫星的非线性微分博弈模型,微卫星通过独立优化各自的性能指标函数得到控制策略。其次,引入状态相关系数矩阵,将非线性博弈转化为状态相关线性二次型博弈,采用SDRE方法更方便地逼近微卫星的博弈均衡策略。最终通过李雅普诺夫迭代法求解耦合状态相关黎卡提方程组得到微卫星的状态反馈控制器,实现微卫星的自主决策。数值仿真验证了多颗微卫星采用微分博弈控制方法实现姿态接管的有效性和容错性。