Inverse optimal sliding mode control of spacecraft with coupled translation and attitude dynamics

This paper proposes two robust inverse optimal control schemes for spacecraft with coupled translation and attitude dynamics in the presence of external disturbances. For the first controller, an inverse optimal control law is designed based on Sontag-type formula and the control Lyapunov function. Then a robust inverse optimal position and attitude controller is designed by using a new second-order integral sliding mode control method to combine a sliding mode control with the derived inverse optimal control. The global asymptotic stability of the proposed control law is proved by using the second method of Lyapunov. For the other control law, a nonlinear H_∞ inverse optimal controller for spacecraft position and attitude tracking motion is developed to achieve the design conditions of controller gains that the control law becomes suboptimal H_∞ state feedback control. The ultimate boundedness of system state is proved by using the Lyapunov stability theory. Both developed robust inverse optimal controllers can minimise a performance index and ensure the stability of the closed-loop system and external disturbance attenuation. An example of position and attitude tracking manoeuvres is presented and simulation results are included to show the performance of the proposed controllers.     

带有控制饱和约束的航天器交会输出反馈控制

针对航天器交会问题存在外部干扰和输入饱和的情况, 本文提出了一个输出反馈跟踪控制器. 仅利用测量得到的相对位置信息, 设计了一个滑模观测器用来估计相对角速度, 并根据该估计值设计了一个鲁棒反步控制律. 通过引入一个辅助系统, 对输入饱和情况进行了分析. 采用Lyapunov 稳定性理论, 证明了本文提出的该控制器能够保证位置和速度跟踪误差的一致有界性. 最后通过数值分析验证了所设计的输出反馈控制器的有效性.     

Output feedback second order sliding mode control for spacecraft attitude and translation motion

This paper studies an output feedback control problem for spacecraft position and attitude control when uncertainties related to system parameters and external disturbances are present. Firstly, a new finite-time control law is designed using second order sliding mode concepts. In the presence of external disturbances and inertia uncertainties, the new control law provides finite-time convergence and high tracking precision. Secondly, a new sliding-mode-based filter is developed to estimate the first time derivatives of attitude and position in finite time. Instead of the translational and angular velocity variables, the estimated derivative values are used for the controller design. The proposed controller with this filter is an output feedback controller since translational and angular velocity measurements are not required. The closed-loop system under this controller is non-homogeneous and the stability is proven by using concepts of a strong Lyapunov function and Lyapunov stability theory. The trajectories of the closed-loop system can be controlled to converge to a ball centered at the origin that can be made as small as desired. Numerical simulations of position and attitude control of spacecraft are given to demonstrate the performance of the proposed controller and filter.     

Robust adaptive fixed‐time tracking control of 6‐DOF spacecraft fly‐around mission for noncooperative target

The fixed‐time relative position tracking and attitude synchronization control problem of a spacecraft fly‐around mission for a noncooperative target in the presence of parameter uncertainties and external disturbances is investigated. Firstly, a novel and coupled relative position and attitude motion model for a noncooperative fly‐around mission is established. Subsequently, a novel nonsingular fast terminal sliding mode (NFTSM) surface is developed, and the explicit estimation of the convergence time independent of initial states is provided. Fair and systematic comparisons among several typical terminal sliding modes show that the designed NFTSM has faster convergence performance than the fast terminal sliding mode. Then, a robust integrated adaptive fixed‐time NFTSM control law with no precise knowledge of the mass and inertia matrix and disturbances by combining the nonsingular terminal sliding mode technique with an adaptive methodology is proposed, which can eliminate the chattering phenomenon and guarantee that the relative position and attitude tracking errors can converge into the small regions containing the origin in fixed time. Finally, numerical simulations are performed to demonstrate the effectiveness of the proposed control schemes.     

四旋翼无人飞行器的轨迹跟踪与滑模事件驱动控制

四旋翼飞行器作为一个典型的欠驱动的系统,具有强耦合、非线性等特性.针对飞行器外部干扰、和通信资源受限条件下的轨迹跟踪控制问题,进行滑模事件驱动控制方法的研究.首先,分析动力学特性,通过时间尺度分解方法将系统解耦成位置子系统和姿态子系统.其次,将位置子系统转化为严格反馈形式,设计反步滑模控制器,实现位置轨迹稳定跟踪;针对姿态子系统存在时变有界扰动及通信受限,设计滑模事件驱动控制律,在抑制干扰的同时实现对虚拟姿态跟踪指令的跟踪.根据Lyapunov分析方法证明了所设计控制器的稳定性,并通过理论分析证明闭环控制系统不会出现Zeno现象.最后,仿真结果验证了滑模事件驱动控制律在存在外部扰动和通信受限时四旋翼无人飞行器轨迹跟踪的鲁棒性.     

Vision-based autonomous tracking and landing of a fully-actuated rotorcraft

Autonomous landing is a challenging phase of flight for an aerial vehicle, especially when attempting to land on a moving target. This paper presents vision-based tracking and landing of a fully-actuated tilt-augmented quadrotor on a moving target. A fully-actuated vehicle allows higher freedom in terms of control design and a larger flight envelope since the position and attitude states are decoupled. An adaptive control law is designed to track a moving target with only relative position information from a camera. Low-cost hardware is used, and experiments are carried out to validate the proposed methodology for targets moving at realistic speeds.     

采用滑模观测器的六旋翼指令滤波鲁棒控制

针对包含复合干扰的六旋翼无人机鲁棒控制问题,提出了一种基于滑模观测器的指令滤波鲁棒控制方法。建立了包含复合干扰的六旋翼无人机位置和姿态的数学模型,并对位置回路设计了滑模控制律,从而解算出姿态指令;根据姿态角回路输出的虚拟控制律,设计了指令滤波器来抑制微分爆炸现象,并利用辅助滤波器补偿指令滤波的误差;在角速度回路鲁棒控制律中引入滑模观测器,对包括模型误差和外界扰动的复合干扰进行补偿,实现了六旋翼UAV的指令滤波鲁棒控制。仿真结果表明：提出的指令滤波鲁棒控制律与指令滤波自适应控制方法相比,在复合干扰下具有更优的稳定性、准确性和快速性,位置和姿态的最大误差分别仅为0.05?m和0.5°,滑模观测器的估计误差也仅为0.2 （°）/s,能够在更短的时间内实现对六旋翼UAV位移和姿态的鲁棒控制。     

基于相对位置信息的多智能体系统自适应跟踪控制

针对带有动态领导者的多智能体系统,为了使其达到跟踪一致性,设计只依赖于相对位置信息的自适应跟踪控制律.根据接收到的相对位置信息为每个跟随者设计动态输出反馈控制律,并根据控制律估计出智能体之间的相对速度信息.在此基础上设计自适应跟踪控制律,并且通过Lyapunov 稳定性理论和矩阵理论分析得到使系统达到跟踪一致性的充分条件.最后通过数值仿真验证了所提出的设计方法的有效性.     

四旋翼飞行器建模及其运动控制

针对四旋翼飞行器是一个欠驱动、强耦合、非线性系统,提出了运用反步法解决系统非线性问题,达到对飞行器快速、准确、稳定控制目的.研究了以反步法作为非线性设计工具对飞行器控制系统的设计问题,将飞行控制系统分为内外环2个子系统.建立四旋翼飞行器动力学及运动学方程,并对数学模型进行适当简化.利用反步法求解飞行器内环姿态控制律,实现对目标姿态角的稳定控制;利用比例—积分—微分(PID)作为飞行器外环位置控制律,实现对目标位置的稳定控制.搭建飞行器系统模型,进行Matlab/Simulink仿真实验,结果表明:在小角度飞行和悬停状态下,飞行器的位置与姿态精度得到了有效控制,验证了数学模型与控制律设计的准确性.     

基于反步法的主从航天器相对姿态控制

对主从航天器的相对姿态控制问题,考虑从航天器系统不确定因素,提出了一种基于反步法的姿态控制方法,并引入自适应控制律.该方法首先根据主从航天器的相对位置信息,解算出从航天器观测轴指向主航天器以及从航天器跟踪主航天器轨道坐标系等两种任务的期望姿态;然后基于修正罗德里格参数(MI(P)描述的从航天器姿态误差动力学模型设计了姿态控制器以及针对航天器惯量的不确定性设计了自适应控制律;并基于Lyapunov方法从理论上证明了该方法能够实现全局渐近稳定的相对姿态控制.最后将该方法应用于某编队飞行任务,仿真结果表明此控制器能够实现其编队飞行控制,具有良好的控制性能.     

ADRC Law of Spacecraft Rendezvous and Docking in Final Approach Phase

This article addresses the high-precision coordinated control problem of spacecraft autonomous rendezvous and docking, which couple the relative position and attitude in the final approach phase. The coupled dynamics equations of the tracking-target spacecrafts is derived by using dual quaternions. Then, a cascade Active Disturbance Rejection Controller is proposed, by which the extended state observer and nonlinear error feedback law is designed, the virtual value on which the actual control volume tracking is calculated to ensure the finite time convergence of the relative position and attitude tracking errors in spite of parametric uncertainties and external disturbances. Finally, numerical simulations are performed to demonstrate that the proposed approaches, which can avoid the coupling effect and restrain the interference, can track the target spacecraft in a relatively short period of time, and the control precision can satisfy the requirements of docking.     

雷达监测协同飞行器列阵飞行控制系统设计

当前飞行器列阵飞行控制技术中单机间相对位置不易确定,造成列阵飞行状态监测和姿态感知较难,存在控制准确度低、可靠性差的问题。据此,设计一种基于改进降噪目标提取算法的地面站可见光监测控制系统。通过对列阵中各单机飞行状态的图像监测,确定位置与姿态,以及其在列阵中的位置偏差,给出实时动态调整指令;设计的改进型降噪目标提取算法,降低了复杂背景噪声对飞行器目标提取的影响,提高了监测准确性。该系统将飞行状态监测和姿态感知功能设置于地面站中,极大减少了对飞机的载荷依赖,实现对飞行器列阵飞行的智能管理和任务规划。经实验验证,该智能控制系统的偏差率维持在2%以下,结果表明本智能控制系统能够准确、可靠的控制50架飞行器列阵的静态和动态行动。     

主动变形四旋翼自抗扰飞行控制方法

为了获得更好的环境适应性,研究设计了一种主动变形四旋翼飞行器.飞行器的变形主要分为两种:机臂伸缩和折叠.为抑制系统所受内外扰动影响,设计了基于自抗扰控制(ADRC)技术的飞行控制器.首先对主动变形四旋翼结构进行设计,使用牛顿欧拉法建立风扰下系统动力学模型,然后分析阵风对系统影响以及动态变形时重心位置、惯性张量等参数的变化,接着将主动变形四旋翼系统解耦成6个SISO系统的组合并设计位姿自抗扰控制器,最后分别利用扩张状态观测器和非线性状态误差反馈律对系统所受扰动进行观测和补偿.仿真结果表明,本文所设计的基于ADRC飞行控制器的主动变形四旋翼具有优秀的位姿控制能力,在飞行过程中可以良好地进行变形,能够有效地观测变形的扰动和紊流风扰,具有较强的稳定性和抗扰性,同时对系统部分动力失效故障有较强的鲁棒性.     

航天器姿轨耦合非线性同步控制

研究航天器飞行稳定控制建模问题。航天器动力学模型的精确建立,要求采用单独建立轨道或姿态的模型无法满足任务高精度要求,从非线性相对轨道动力学方程和修正罗德里格斯参数(MRP)表示的姿态运动学方程出发,建立了航天器六自由度的相对耦合动力学方程。为了给出姿轨运动的基准,分别设计了航天器理想姿态和椭圆加指数接近轨道。针对耦合非线性动力学方程设计了非线性同步控制律,并通过Lyapunov证明闭环系统的全局渐近稳定性。通过仿真结果可以看出,非线性同步控制算法能使轨道和姿态误差逐步趋于零,为航天器姿轨耦合设计提供了依据。     

基于PMAC的航空结构件柔性工装分布式控制系统设计

航空结构件是航空飞行器中的重要组成部分，航空结构件的自动化柔性工装质量直接影响航空飞行器的飞行安全水平。为降低系统位置和姿态控制误差，减小航空结构件的磨损面积，设计了基于PMAC的航空结构件柔性工装分布式控制系统。采用PMAC运动控制器，接收电子部件的反馈信号，控制步进电机、直流电机和交流电机。结合工控机、定位器、伺服电机和分布式通信网络，完成硬件系统的设计。根据航空结构件柔性工装操作设备的组成结构和工作原理，构建相应模型。确定航空结构件在目标曲面上的柔性工装位置，从移动位置和装配力两个方面，计算柔性工装控制量。在PMAC控制器的作用下，通过位姿的调整实现系统的航空结构件柔性工装分布式控制功能。系统测试结果表明，设计分布式控制系统的位置和姿态控制误差分别降低了13cm和0.32°，且设计系统控制下航空结构件的磨损面积较小。     

利用方位角信息的移动机器人编队控制

本文以移动机器人为研究对象,仅利用方位角信息实现多智能体系统的编队控制.为实现大规模编队和队形的缩放控制,智能体被分为领航者、第1跟随者以及其余跟随者.首先,考虑智能体之间相对位置信息难以精确测量的情形,设计仅用方位角信息的估计算法获得准确的相对位置;然后,基于获得的相对位置信息设计第1跟随者的控制算法,使得第一跟随者与领航者之间的位置收敛到理想约束位置以控制整个队形的规模;接着,设计其余跟随者的控制算法使得各智能体之间的方位角达到理想约束角度,从而形成理想编队队形.最后通过数值和ROS仿真实验验证算法的有效性.     

磁控小卫星编队飞行的非线性控制

磁控小卫星编队飞行利用磁力和磁力矩对编队小卫星进行位姿调控,不受星载燃料的限制,同时还避免了由推进器羽流造成的光学干扰和精密设备污染。基于磁力研究编队小卫星的相对运动控制问题,介绍了编队卫星的磁力模型和相对运动模型,采用饱和函数方法给出了非线性控制律,利用李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的稳定性,最后,利用该方法对两星编队磁力控制进行仿真验证,结果表明：完全依靠电磁力编队卫星是可控的。     

小卫星编队飞行姿态协同控制及仿真

针对具体的对地定向三星编队成像高度计的姿态协同控制问题,基于四元素方法进行了姿态控制系统设计和数字仿真研究.首先定义了坐标系及姿态误差变量.接着设计了一种非线性姿态跟踪控制器,并运用Lyapunov稳定性理论证明了该控制律的全局稳定性.最后通过基于Matlab的数值仿真和基于STK的可视化,进一步验证了该控制律的稳定性和有效性.数值仿真结果表明利用这种方法可以保证编队中的从星时刻跟踪目标姿态.也就是能够实现合成孔径干涉测量的任务目标.     

基于SO(3)的多四旋翼无人机编队协同控制

针对多四旋翼无人机系统的编队飞行问题,提出了基于特殊正交群SO(3)的协同控制设计方法.在给出编队空间队形和通信拓扑描述后,建立了多四旋翼无人机系统SO(3)控制模型.由于SO(3)与传统俯仰/偏航/滚转三通道模型具有不同的结构,文中进一步研究了SO(3)中无人机之间相对误差的表示方法,设计了适用于多飞行器的SO(3)控制器实现对编队和姿态的协同控制.推力控制器用于调节无人机的位置与速度,并在此基础上构造旋转矩阵形式的姿态协同指令.文中相应设计了SO(3)姿态控制器用于实现指令跟踪,最后从理论上对协同稳定性进行了分析.提出的控制方法能够使得多四旋翼无人机形成期望的队形,并且保持姿态一致进行稳定飞行.仿真结果验证了本文方法的有效性.     

作业型飞行机器人抓取后重心偏移的轨迹跟踪控制

作业型飞行机器人是指能够对环境施加主动影响的飞行机器人, 它通常由旋翼飞行器与机械臂组合而成. 本文针对作业型飞行机器人在动态飞行抓取后, 重心位置变化产生的系统控制难题, 设计了有效的跟踪控制策略. 首先, 在系统建模时引入重心偏移系统参数和重心偏移控制参数, 并考虑惯性张量不为常数, 提高了系统建模的精度. 然后, 在姿态解算时, 考虑重心偏移对系统性能的影响, 构建包含重心偏移系统参数的解算方法, 得到更高精度的期望翻滚角和期望俯仰角. 接着, 设计了基于滑模控制的重心偏移补偿位置控制器, 实现了有效的位置跟踪控制. 同时, 在姿态反演控制器的基础上, 加入自适应律估计重心偏移控制参数和变化的惯性张量, 再通过小脑神经网络逼近惯性张量的真实值, 提高姿态控制器的精度. 最后, 给出了所设计控制器的稳定性证明, 并在仿真环境下验证了所提出的方法的有效性和优越性.