非完整配置下姿态翻滚抑制的滑动控制

本文讨论了以非完整的单向推力器系统为执行机构时，刚性航天器的去翻滚控制问题。针对共面扰量降维完整配置，通过状态变换将其转化为变换系统的零扰量控制问题，基于滑动控制律实现了姿态角速度的淅进镇定，表明利用三个适当配置的单向推力器可以实现支翻滚任务。仿真结果证实了所述方法的有效性。     

Time-optimal trajectory planning for underactuated spacecraft using a hybrid particle swarm optimization algorithm

A hybrid algorithm combining particle swarm optimization (PSO) algorithm with the Legendre pseudospectral method (LPM) is proposed for solving time-optimal trajectory planning problem of underactuated spacecrafts. At the beginning phase of the searching process, an initialization generator is constructed by the PSO algorithm due to its strong global searching ability and robustness to random initial values, however, PSO algorithm has a disadvantage that its convergence rate around the global optimum is slow. Then, when the change in fitness function is smaller than a predefined value, the searching algorithm is switched to the LPM to accelerate the searching process. Thus, with the obtained solutions by the PSO algorithm as a set of proper initial guesses, the hybrid algorithm can find a global optimum more quickly and accurately. 200 Monte Carlo simulations results demonstrate that the proposed hybrid PSO–LPM algorithm has greater advantages in terms of global searching capability and convergence rate than both single PSO algorithm and LPM algorithm. Moreover, the PSO–LPM algorithm is also robust to random initial values.     

自主水下航行器的组合导航系统综述

由于GPS和无线电信号在水下严重衰减，因此以惯性导航为核心，加以其他辅助导航设备的组合导航系统正适用于自主水下航行器的使用环境。回顾了近年自主水下航行器组合导航的最新进展，为将自主水下航行器应用于军用和民用等领域的研究学者提供了参考。首先，总结了国内外近十年来自主水下航行器组合导航方法，如INS/APS组合导航、INS/GPS组合导航、INS/DVL组合导航、INS/地球物理组合导航和INS/SLAM组合导航；介绍了各种自主水下航行器组合导航系统的基本原理和关键技术问题的解决方案；总结对比了其优缺点和发展趋势；最后给出了未来自主水下无人航行器组合导航面临的挑战。     

欠驱动航天器姿态控制系统的退步控制设计方法

应用退步控制设计方法研究欠驱动航天器的姿态控制问题。将系统分为运动学和动力学两个子系统分别进行控制律的设计。首先导出了一种动力学子系统的镇定控制律，以减低失控轴的角速度分量对运动学子系统的影响。在此基础上，假设这一角速度分量为小量，利用运动学中的角速度交叉耦合项对失控轴的姿态进行控制。通过推导出角速度中间控制律，实现了运动学子系统的镇定，并进一步设计了姿态退步控制律。最后进行了数值仿真，验证了所推导的控制律的有效性。     

欠驱动挠性航天器的全姿态控制

考虑欠驱动挠性航天器姿态控制问题,其中执行机构配置为两轴喷气和飞轮执行机构。提出了“喷气消旋＋飞轮机动”的分段控制方法,其基本思想是：首先利用喷气推进执行机构使航天器整星角动量趋于零,为飞轮控制做准备;然后利用飞轮执行机构使航天器从任意姿态转向指定姿态并维持。针对“喷气消旋”,说明了提出的控制规律能够保证航天器角动量全局渐近收敛于任意小量;针对“飞轮机动”,证明了航天器全姿态具有大范围渐近稳定性;针对“喷气消旋＋飞轮机动”的完整过程,采用扰动系统理论分析了闭环控制系统的大范围终端有界性。     

时变干扰下欠驱动AUV水平面轨迹跟踪的反步滑模控制

针对水下自主航天器AUV水平面的轨迹跟踪问题,建立时变外界干扰条件下的运动学模型以及动力学模型,将地面误差变量转换为艇体坐标变量,并推导得出其误差方程。基于Lyapunov稳定性理论研究反步滑模控制的相关算法,设计出时变干扰下的欠驱动AUV水平面轨迹跟踪控制器,最后分析了闭环控制系统中误差信号受到扰动时跟踪误差的敛散性。利用MATLAB/Simulink软件进行仿真实验,得出时变干扰作用下AUV对期望轨迹的跟踪情况,经实验验证本文设计的反步滑模控制器能有效地跟踪复杂轨迹,具有较强的稳定性和鲁棒性。     

Local controllability and stabilization of spacecraft attitude by two single-gimbal control moment gyros

The attitude control problem of a spacecraft underactuated by two single-gimbal control moment gyros （SGCMGs） is investigated. Small-time local controllability （STLC） of the attitude dynamics of the spacecraft-SGCMGs system is analyzed via nonlinear controllability theory. The conditions that guarantee STLC of the spacecraft attitude by two non-coaxial SGCMGs are obtained with the momentum of the SGCMGs as inputs, implying that the spacecraft attitude is STLC when the total angular momentum of the whole system is zero. Moreover, our results indi- cate that under the zero-momentum restriction, full attitude stabilization is possible for a spacecraft using two non-coaxial SGCMGs. For the case of two coaxial SGCMGs, the STLC property of the spacecraft cannot be determined. In this case, an improvement to the previous full attitude stabilizing control law, which requires zero-momentum presumption, is proposed to account for the singu- larity of SGCMGs and enhance the steady state performance. Numerical simulation results demonstrate the effectiveness and advantages of the new control law.     

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。