分离模块集群航天器发展概况

分离模块集群航天器是分布式空间系统的一种创新应用。从拓扑结构、自组织网络、无线通信、集群飞行导航与控制、分布式计算,以及无线能量传输6个方面概述了分离模块集群航天器的发展状况,介绍了分离模块集群航天器的任务——昴宿星计划,分析了分离模块集群航天器的性能特点以及应用前景,以期为发展我国的分离模块集群航天器提供参考。     

多机器人系统队形保持方法研究

机器人队伍的运动被划分为正常运动、避障及恢复队形三个阶段,单个机器人的运动划分为避障和向目标运动两个状态.在避障阶段,引入虚拟机器人来使其它机器人保持队形,同时把所有机器人划分成不同等级的集合,避障机器人跟踪邻近高等级集合中的机器人以躲避障碍.仿真实验表明,该方法能有效地避开障碍,并快速恢复原队形.     

组合体航天器的姿态无模型自适应控制

为解决转动惯量参数未知组合体航天器的姿态精确控制问题,基于无模型自适应控制方法设计了一种不依赖于航天器精确动力学模型的组合体航天器姿态无模型自适应控制算法.首先,基于单输入单输出离散时间系统的数据驱动控制方法推导得出无模型自适应控制方程;然后,将无模型自适应控制方法拓展到组合体航天器姿态控制中,设计应用于组合体航天器姿态控制的无模型控制器;此外,为了缩短控制收敛时间,结合组合体航天器动力学特性,对姿态无模型控制器的控制过程进行优化设计;最后,以在轨服务航天器目标抓捕后的操作为研究背景进行组合体航天器的无模型自适应控制算法和无模型控制过程优化算法的数学仿真,验证了算法的有效性和可行性.数学仿真结果表明:所设计的组合体航天器无模型自适应算法有效,能够实现惯性参数未知的组合体航天器的姿态精确控制;且通过无模型控制过程优化设计,可以实现组合体航天器姿态控制过程的快速收敛;同时,该算法具有较高的控制精度.     

挠性航天器预设性能自适应姿态跟踪控制

为研究存在外界干扰及未建模动态的挠性航天器姿态跟踪问题,提出了一种基于预设性能方法的自适应姿态跟踪控制策略.预设性能方法利用性能函数和一种误差变换方式,将系统的跟踪误差限制在预先设定的约束范围内,以保证系统响应具有期望的超调、收敛速度以及稳态误差.采用径向基函数(RBF)神经网络来处理由干扰和附件挠性振荡产生的模型未知动态.考虑到存在未知的神经网络逼近误差,为减小控制参数选取的保守性,进一步对逼近误差的上界进行自适应估计.结合权值和逼近误差上界的自适应律,设计了预设性能自适应姿态跟踪控制器.仿真结果表明,使用本方法可以有效补偿干扰及挠性振动所产生的影响,同时使姿态控制系统获得快速平稳的动态过程和给定的稳态跟踪精度.与未采用预设性能的方法相比,所提出的方法在收敛速度、跟踪精度与振荡抑制效果等方面均具有较明显的优势,并且对控制器参数选取的依赖性更低.     

航天器姿态跟踪有限时间自适应积分滑模控制

针对刚体航天器存在模型参数不确定性和外界干扰情况下的姿态跟踪控制问题,该文提出了一种有限时间自适应积分滑模控制方法.建立了用四元数表示的航天器姿态跟踪数学模型;在不考虑参数不确定性和干扰的情况下,基于非线性系统齐次性方法设计了一种有限时间控制算法,保证航天器姿态在有限时间内跟踪上期望姿态;当扰动存在时,为提高闭环系统的...     

应用变速控制力矩陀螺的航天器姿态自适应控制

为提高敏捷挠性航天器在轨连续机动的快速性和高稳定性,应用变速控制力矩陀螺(variable speed control moment gyroscopes, VSCMGs)作为姿态控制执行机构,提出了一种将观测器与自适应控制结合的姿态控制律与VSCMGs复合操纵律。考虑到机动过程中挠性模态及精确惯量不可知,采用模态观测器和转动惯量估计器对不可测的状态或参数进行辨识,辨识结果用于精确估计前馈补偿力矩,利用Lyapunov分析方法证明了闭环控制系统的稳定性。鉴于VSCMGs实际使用的力矩分配能力、避奇异能力、轮速平衡能力与末态框架角定位能力,分别设计了加权伪逆操纵律与3种对应的零运动。基于雅可比矩阵条件数提出了末态框架角的优选方法,给出了VSCMGs零运动在机动过程不同阶段的部署方案。结果表明：通过连续姿态机动数值仿真验证了所提算法的有效性;VSCMGs在连续机动过程中平滑切换模式,在不同的机动阶段实现了相应功能。模态观测值和惯量估计值在多次机动后收敛至真值附近,经过参数辨识后的控制器使航天器在机动末端更快更稳地达到指向精度要求。     

航天器编队飞行自适应协同避碰控制

为解决航天器编队飞行系统中存在通信时延、参数不确定的跟踪问题,并实现避免碰撞的控制目标,基于编队航天器的相对运动非线性动力学模型和势函数方法,对航天器编队飞行系统的自适应协同避碰控制方法进行了研究. 首先,在全状态反馈控制的情况下,提出了一种对通信时延和参数不确定具有鲁棒性的自适应协同避碰控制律;其次,进一步考虑速度信息不可测量的情况,通过引入一种新型滤波器设计了无速度测量的自适应协同避碰控制律,使得编队航天器实现对期望轨迹的跟踪,同时能够保证航天器编队飞行系统中航天器在安全区域飞行,避免发生相互碰撞. 最后,针对全状态反馈和无速度测量反馈的情况分别分析了航天器编队飞行闭环系统的Lyapunov稳定性,显著增强了闭环系统对通信时延和参数不确定的鲁棒性.结果表明,所设计的两种自适应协同避碰控制律可以有效地保证编队飞行航天器对期望轨迹的跟踪,且系统可以实现避免碰撞的编队飞行任务.     

不带速度测量的深空航天器网络编队控制

考虑处于深空中的航天器网络编队的位置和姿态控制。控制目标是使整个编队中的航天器在控制器的作用下达到期望的位置和姿态,同时航天器编队趋于期望的队形和期望的相对姿态。采用基于图论的方法设计控制器,得到的控制器仅仅要求相邻的航天器之间保持信息交换,从而,和已有的研究中要求设计航天器两两通信的控制器相比,减少了整个航天器网络内部航天器间的通信;另外,得到的控制器不要求相邻航天器的速度和加速度的测量,从而减少了测量所带来的累积误差。数值仿真结果验证了控制策略的有效性。     

输入有界的挠性航天器姿态跟踪滑模控制

针对三轴稳定挠性航天器输入受限的姿态跟踪问题,设计了一类滑模自适应姿态跟踪控制器,它能确保闭环系统在一定条件下具有全局渐近稳定性,且满足控制输入有界的要求;同时,该控制方案是一种模型独立的控制方法,不依赖于航天器结构参数及模态阶数,而且通过引入参数自适应控制律,使得控制器的设计也不依赖于参数不确定性和外部干扰力矩的界函数,具有较强的鲁棒性和工程实用性.最后根据给定的挠性航天器参数进行了数值仿真研究,结果表明在转动惯量存在较大不确定性和外部干扰的情况下,系统具有很好动态性能和有效地抑制控制输入饱和问题,表明所设计的控制方案有效可行,并具有一定潜在的工程应用前景.     

航天器编队飞行沿航迹漂移的时间最优气动控制

利用航天器之间不同的大气阻力可以产生半长轴偏差以实现沿航迹漂移控制。沿航迹漂移气动控制采用时间最优控制律。为了适应天地大回路控制要求,所设计的时间最优控制律可离线实现。在考虑状态测量误差以及大气密度误差等不确定性因素条件下,对使用时间最优控制律的沿航迹漂移控制进行了仿真分析,仿真结果表明：沿航迹漂移的控制精度优于100m。     

Formation Feedback Applied to Behavior-Based Approach to Formation Keeping

Approaches to the study of formation keeping for multiple mobile robots are analyzed and a behaviorbased robot model is built in this paper. And, a kind of coordination architecture is presented, which is similar to the infantry squad organization and is used to realize multiple mobile robots to keep formations. Simulations verify the validity of the approach to keep formation, which combines the behavior-based method and formation feedback. The effects of formation feedback on the performance of the system are analyzed.     

Reinforcement-Learning-Based Appointed-Time Prescribed Performance Attitude Control for Rigid Spacecraft

This paper addresses a geometric control algorithm for the attitude tracking problem of the rigid spacecraft modeled on SO(3). Considering the topological and geometric properties of SO(3), we introduced a smooth positive attitude error function to convert the attitude tracking issue on SO(3) into the stabilization counterpart on its Lie algebra. The error transformation technique was further utilized to ensure the assigned transient and steady state performance of the attitude tracking error wi...     

挠性航天器姿态机动的自适应滑模控制

针对采用压电智能材料作为敏感器和作动器的挠性航天器姿态机动控制问题,提出一种复合控制策略.首先,基于挠性航天器的非线性动力学模型,采用自适应滑模控制技术设计了姿态机动控制器.其次,为了抑制挠性模态的振动,针对各低阶振动模态设计了正位置反馈(PPF)补偿器的反馈增益.仿真结果表明,该方法在保证挠性航天器完成姿态机动任务的同时,能有效抑制挠性附件的振动.     

Multi-Feature Fusion Based Relative Pose Adaptive Estimation for On-Orbit Servicing of Non-Cooperative Spacecraft

多特征融合的非合作航天器在轨服务相对位姿自适应估计

吴云华,杨楠,陈志明,华冰

（南京航空航天大学 航天学院,南京 210016）

创新点说明：

1）以对偶四元数为基础,建立一体化的航天器相对动力学模型;

2）对于不同类型的特征,包括点、线段、圆等,很难建立统一的测量模型,因此,采用对偶四元数对测量特征进行建模;

3）在仿真过程中,考虑到服务航天器相机视场的变化,提取到的特征逐渐减少;

4）考虑到目标航天器状态的不确定性,设计一种模糊自适应强跟踪滤波器,将模糊逻辑自适应控制器与强跟踪滤波器相结合,对多重次优渐消矩阵进行“在线”自适应调整,进一步提高滤波器跟踪精度,实现对目标航天器相对状态的跟踪。

研究目的：

为提高在轨服务最后接近段视觉导航算法的精度以及稳定性。

研究方法：

1）场景分析：随着两艘航天器的距离越来越近,服务航天器的相机视场越来越小,导致观测到的特征越来越少,这使得计算两个航天器的相对位置和姿态更加困难。

2）建模方法：以对偶四元数为基础,建立一体化的航天器相对动力学模型。对于不同类型的特征,包括点、线段、圆等,采用对偶四元数对测量特征建立统一的测量模型。

3）位姿估计方法：分别采用扩展卡尔曼滤波,强跟踪滤波以及本文提出的具有模糊自适应特点的改进强跟踪卡尔曼滤波器进行对比实验,对目标航天器的位姿以及速度、角速度进行跟踪。

研究结果：

扩展卡尔曼滤波算法的跟踪能力较差,大概在30 s以后,系统才达到稳定,稳定误差也相对较大。

1）强跟踪滤波算法最突出的优点是改善了系统的快速性,跟踪能力变强,系统在1.5s就会达到稳定,稳态误差也有所降低。

2）本文提出的具有模糊自适应特点的改进强跟踪卡尔曼滤波算法相比强跟踪算法稳定时间没有发生变化,但稳态误差变小。

整体而言,本文提出的算法综合看来明显优于扩展卡尔曼滤波算法及强跟踪滤波算法的。

结论：

随着空间技术的飞速发展,在轨运行的航天器越来越多,因此有必要发展在轨服务技术。在轨服务任务的两航天器在最后接近阶段对相对状态的精度要求很高。考虑到航天器姿态和轨道的一体化,利用对偶四元数建立了精确的航天器相对动力学模型。为提高强跟踪滤波器的跟踪性能,针对强跟踪滤波器固有缺点,提出一种模糊自适应强跟踪滤波器。该方法将强跟踪滤波器中削弱因子的选取与模糊自适应控制器相结合,实现削弱因子和多个次优衰落矩阵的自适应调整,从而提高了滤波器的估计性能。

关键词：在轨服务,非合作航天器,多特征融合,模糊自适应滤波,对偶四元数

     

编队约束下的AUV路径跟踪

研究了自主水下航行器(AUV)编队约束下的路径跟踪问题。将整个系统的误差分为2部分:①各AUV自身的跟踪误差;②AUV的编队误差;在此基础上,针对AUV的参数不确定性以及海流干扰等特点,提出了一种自适应变结构控制律,在滑动面的选取中,同时考虑了AUV的路径跟踪误差以及AUV之间的编队误差。文章从理论上证明了控制律的稳定性,并讨论了控制律实现中路径参数更新律的选取问题。仿真结果表明,所设计的控制律可以使AUV克服海流干扰,达到编队航行的目的,并且考虑编队约束时AUV相互之间的的距离误差比不考虑编队约束时的误差小。     

航天器姿轨耦合自适应同步控制

航天器动力学模型的精确建立,对于成功完成空间任务来说必不可少,而单独考虑轨道或姿态的模型无法满足任务高精度要求,因此从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。针对航天器参数不确定问题设计了自适应同步控制律,并通过Lyapunov直接法证明闭环系统的全局渐近稳定性。从仿真结果可以看出,自适应同步控制算法能使轨道和姿态误差逐步趋于零。