考虑状态约束的航天器编队分布式姿态协同跟踪控制

针对有向通信拓扑结构下的航天器编队姿态协同控制问题,提出一种基于反步法的分布式姿态协同跟踪控制律.在仅有部分跟随航天器可以获取动态领航航天器信息的情况下,利用多层神经网络的逼近特性对系统的非线性不确定性进行估计.同时,考虑到航天器编队的姿态协同跟踪控制性能,构造Barrier Lyapunov函数,使得状态变量保持在预设的约束区间内,进而实现对姿态跟踪误差的约束.根据代数图论和Lyapunov理论,证明跟随航天器的姿态跟踪误差最终有界.仿真分析表明了所提出控制方法的有效性.     

有向图中模块化航天器系统相对轨道的自适应分布式一致性

基于多智能体系统一致性理论,对模块化航天器相对轨道的分布式一致性问题进行了研究.各模块之间的信息交互拓扑结构为更具一般性的有向图.当存在模块质量不确定性的情形下,设计了仅依赖模块自身及其邻近模块信息且无需模块间相对速度信息的自适应控制算法.针对模型中存在外部干扰的情形,通过引入带有时变自适应参数的变结构控制项,实现了对未知上界干扰的补偿,并且证明了闭环系统是渐近稳定的.此外,本文所设计的算法具有分布式的特点,不会因为模块数量的增多而增加所提算法的复杂度.最后对6个模块组成的模块化航天器的编队飞行进行了仿真分析,仿真结果表明本文设计的控制律是有效可行的.     

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.     

多星系统相对轨道的自适应协同控制

基于一致性理论,在无向拓扑结构上对多星系统相对轨道的协同控制问题进行了研究.本文考虑近地卫星相对轨道的非线性方程,首先设计控制律使得多星系统形成目标队形,并给出了速度阻尼和通信拓扑(相对速度间的拓扑关系)连通性之间的关系;其次,针对卫星质量具有不确定性的情形,设计了新的辅助变量,提出了自适应的协同控制律,这里要求传感(相对位置间的拓扑关系)和通信具有相同的拓扑结构.最后对4颗卫星的编队飞行进行了仿真分析,仿真结果表明本文设计的协同控制律是有效可行的.     

多航天器系统分布式有限时间姿态协同跟踪控制

基于一致性算法, 在有向通讯拓扑下, 研究存在状态约束的多航天器系统分布式有限时间姿态协同跟踪控制问题. 在仅有部分跟随航天器可以获取领航航天器状态, 并且跟随航天器之间存在不完全信息交互的情形下, 设计了分布式快速终端滑模面, 提出了不依赖于模型的分布式有限时间姿态协同跟踪控制律. 根据有限时间Lyapunov 稳定性定理, 证明了系统的状态在有限时间内收敛于领航航天器状态的小邻域内. 最后通过仿真算例验证了所提出算法的有效性.

     

带未知干扰的模块化航天器系统相对轨道的队形控制

基于多智能体系统一致性理论,在有向拓扑结构中对模块化航天器相对轨道的队形控制问题进行研究.考虑与状态相关的未知外部干扰,在存在模块质量不确定性的情形下,基于自适应增益技术,设计仅依赖模块自身及其邻近模块信息的分布式控制算法,并通过Lyapunov稳定性方法证明闭环系统是渐近稳定的.最后在Matlab/Simulink中对6个模块组成的模块化航天器系统的队形进行仿真分析,仿真结果表明所设计的控制律是有效且可行的.     

多航天器系统分布式固定时间输出反馈姿态协同跟踪控制

针对角速度信息不可测条件下的多航天器系统姿态协同跟踪控制问题,提出一种基于积分滑模的分布式固定时间姿态协同跟踪控制方法.基于bi-limit齐次性理论设计一种新型的固定时间收敛的积分滑模面.为估计出不可测的航天器信息,提出一种固定时间观测器,同时为减少航天器间的通信信息流,引入滑模估计器估计领航者的姿态信息.结合固定时间观测器、滑模估计器和积分滑模方法设计分布式固定时间输出反馈姿态协同跟踪控制器,保证各跟随航天器在固定时间内实现对领航者姿态的协同跟踪.通过代数图论和Lyapunov理论证明闭环系统的固定时间稳定性.通过对比仿真结果验证所提出的控制方法的有效性和优越性.     

深空探测航天器姿态的自抗扰控制

本文针对一种带有挠性附件和液体晃动的深空探测航天器姿态控制问题,提出了自抗扰控制律.该控制律可以自主、有效地抑制挠性附件弹性振动和液体晃动对姿态角运动的耦合作用以及处理大范围的扰动和系统不确定性.基于四元数生成角速度跟踪指令,把控制问题由姿态角控制转化为角速度控制.通过设计扩张状态观测器实时估计并补偿角速度通道总扰动并结合角速度偏差反馈,使得角速度快速跟踪指令,进而实现控制目标.仿真结果验证了控制律的有效性和鲁棒性.     

有向图中网络Euler-Lagrange系统的自适应协调跟踪

基于一致性理论, 在有向图中研究网络 Euler-Lagrange 系统的协调跟踪控制. 所有跟随智能体的动力学模型均为 Euler-Lagrange 方程. 在仅有部分跟随智能体能获取领航智能体信息的情形下, 同时考虑系统模型的参数不确定性, 设计分布式自适应控制律实现所有跟随智能体对领航智能体的跟踪. 针对领航智能体的运动状态, 考虑以下两种情形: 1) 领航智能体为固定点; 2) 领航智能体为动态点. 对第一种情形, 设计的控制律使得所有跟随智能体渐近交会于固定点; 对第二种情形, 首先对每个跟随智能体设计分布式连续估计器, 然后提出了分布式自适应控制律. 当每个跟随智能体均能获取领航智能体的加速度信息时, 设计的控制律能实现对领航智能体的渐近跟踪, 当跟随智能体不能获取领航智能体的加速度信息时, 跟踪误差是有界的. 最后通过仿真分析验证设计的控制算法是合理有效的.     

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。     

Distributed adaptive attitude tracking of multiple spacecraft with a leader of nonzero input

This paper considers the distributed attitude tracking problem of multiple spacecraft with a leader whose control input is possibly nonzero, bounded, and not available to any follower. Based on the relative attitudes and angular velocities of neighboring spacecraft, we design a distributed discontinuous adaptive controller to each follower to guarantee that the attitude errors between the followers and the leader converge to zero for any communication graph containing a directed spanning tree with the leader as the root. To tackle the chattering effect caused by the discontinuous controller, we further propose a distributed continuous adaptive controller, under which both the attitude tracking errors and the adaptive gains are ultimately bounded.     

Attitude Synchronization of a Group of Spacecraft Without Velocity Measurements

We consider the coordinated attitude control problem for a group of spacecraft, without velocity measurements. Our approach is based on the introduction of auxiliary dynamical systems (playing the role of velocity observers in a certain sense) to generate the individual and relative damping terms in the absence of the actual angular velocities and relative angular velocities. Our main focus, in this technical note, is to address the following two problems: 1) Design a velocity-free attitude tracking and synchronization control scheme, that allows the team members to align their attitudes and track a time-varying reference trajectory (simultaneously). 2) Design a velocity-free synchronization control scheme, in the case where no reference attitude is specified, and all spacecraft are required to reach a consensus by aligning their attitudes with the same final time-varying attitude. In this work, one important and novel feature (besides the non-requirement of the angular velocity measurements), consists in the fact that the control torques are naturally bounded and the designer can arbitrarily assign the desired bounds on the control torques, a priori, through the control gains, regardless of the angular velocities. Throughout this technical note, the communication flow between spacecraft is assumed to be undirected. Simulation results of a scenario of four spacecraft are provided to show the effectiveness of the proposed control schemes.      

带有两个动量飞轮刚体航天器的姿态非完整运动规划问题

航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位.当其中一个动量飞轮失效,在某些特定的情况下,如何控制航天器的姿态问题还没有有效的方法.利用最优控制方法研究了带有两个动量飞轮的刚体航天器姿态优化控制问题.为此考虑系统角动量为零的情况下,将航天器姿态运动方程化为非完整形式约束方程,系统的控制问题可转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.通过Ritz近似理论得到求解带有两个动量飞轮航天器姿态的运动规划控制算法.通过数值仿真,表明该方法对航天器姿态运动规划控制是有效的.     

欠驱动刚体航天器姿态运动规划的遗传算法

研究欠驱动刚体航天器姿态的非完整运动规划问题．航天器利用3个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位,当其中一轮失效,航天器姿态通常表现为不可控．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．基于优化控制理论,提出了求解欠驱动刚体航天器的姿态运动控制遗传算法,并且数值仿真表明：该方法对欠驱动航天器姿态运动的控制是有效的．     

CG伪谱法在欠驱动航天器姿态机动最优控制中的应用

使用Chebyshev-Gauss(CG)伪谱法研究带动量轮和推力器的欠驱动航天器姿态最优控制问题.基于欧拉姿态角和动量矩定理导出两类航天器姿态运动模型,采用Clenshaw-Curtis积分近似得到性能指标函数中的积分项,应用重心拉格朗日插值逼近状态变量和控制变量,将连续最优控制问题离散为具有代数约束的非线性规划(NLP)问题,通过序列二次规划(SQP)算法求解.数值仿真结果表明,对两类欠驱动航天器的姿态机动最优控制均能达到设计控制要求,得到的姿态最优曲线与验证得到的曲线几乎完全重叠.     

A special case of spacecraft optimal attitude control

The problem of optimal control of a spacecraft reorientation from an arbitrary initial attitude to a prescribed angular attitude is studied. The reorientation time is given. The case when the quadratic norm of the angular velocity vector of the spacecraft is minimized is studied. Using the necessary optimality conditions in the form of Pontryagin??s maximum principle and the quaternion method for spacecraft motion control, an analytical solution of this problem is obtained. Formal equations are derived and expressions for the optimal control program are obtained. For a dynamically symmetric spacecraft, the angular velocity is obtained in the analytical form. Results of the mathematical simulation of the spacecraft dynamics under the optimal control are presented that demonstrate the practical usefulness of the proposed algorithm for the spacecraft attitude control.     

交会对接视觉相对导航系统半物理仿真

飞行器自主交会对接最终逼近段,通过视觉导航系统可以精确测量两飞行器在对接过程中的相对位置和姿态。根据飞行动力学建立相对导航观测模型和状态模型;设计基于微型可见光对接敏感器的相对导航算法;应用扩展卡尔曼滤波器(EKF),并采用simulink软件模块建立相对导航算法的模型;采用实验室的光电组合测量与相对导航系统成功的进行了地面半物理仿真。实验结果表明,导航半实物系统能够为两个交会对接航天器提供足够精度的相对运动状态信息。     

Decentralised cooperative attitude tracking using modified Rodriguez parameters based on relative attitude information

In this article, the problem of decentralised cooperative attitude tracking based on relative attitude information is considered in the context of deep space spacecraft formation flying. We use modified Rodriguez parameters for attitude representation due to its nonreduction. We first present a distributed sliding-mode estimator and a cooperative attitude tracking control law such that the attitudes and angular velocities of all spacecraft track their references. Then we extend the result to three different cases. In the first case, we use a passivity approach to derive a control law without angular velocity measurements, which is of significance for applications with low-cost configurations of spacecraft. In the second case, to relax the special connectivity condition given in the original control design, we obtain a locally asymptotical stability condition for any undirected connected communication topology. In the third case, we consider cooperative attitude tracking in the presence of a dynamic communication topology. Simulation results are presented to validate the effectiveness of these control laws.