捷联惯性组合在舰标定技术研究

文章研究了捷联惯性组合的在舰标定问题。对于陀螺仪提出以姿态误差角作为观测量,采用系统级标定法进行标定。在标定过程中将舰载主惯导给出的导航坐标系角速率ωnin引入到捷联惯性组合的姿态更新,实现了姿态误差与速度误差和位置误差的解耦,避免了由于所列状态量过多而造成的矩阵维数过大的问题。对于加速度计提出以舰载主惯导对比力矢量的测量值作为参考量,以捷联惯性组合对该矢量的测量误差作为观测量对其进行标定。计算机仿真结果表明,文中给出的方法可以有效地完成捷联惯性组合在舰标定,且标定精度较高,具有较强的实际意义。     

空间飞行器大角度姿态机动控制能量优化

空间飞行器姿态控制系统以开关式小推力器为执行机构, 为实现该飞行器在执行Rest-to-Rest大角度姿态机动任务的过程中消耗燃料最小化,从姿态控制律设计和姿态机动指令设计两方面出发进行能量优化.首先, 给出了空间飞行器6个脉冲式姿控发动机布局, 建立了用四元数描述的空间飞行器大角度姿态机动非线性控制系统的数学模型.在此数学模型的基础上,设计了一种空间飞行器三轴大角度姿态机动非线性PD控制律,并用Lyapunov方法证明了非线性姿态控制系统的稳定性.设计了三轴姿态控制中6个脉冲式姿控发动机的分配逻辑.为了配合开关式小推力器以脉冲宽度调制方式近似输出连续型控制量并减少燃料消耗,在非线性PD控制律中引入了3个开关门限,并应用粒子群与遗传算法优化选取这些开关门限.在Rest-To-Rest的大角度姿态机动指令设计中,提出了一种令欧拉角匀速变化的角速度和四元数指令规划方法,提高了姿态控制系统的瞬态响应品质,并相对于阶跃型指令明显减少燃料消耗.结果表明,数值仿真验证了非线性控制律的开关门限设计,以及Rest-To-Rest的大角度姿态机动指令设计在减少燃料消耗方面的有效性.     

基于机械臂运动的组合航天器惯性参数在轨辨识

随着空间技术发展,交会对接任务越来越多,服务航天器与目标航天器对接形成组合航天器后惯性参数会发生明显变化。因此,提出一种基于机械臂运动的组合航天器惯性参数在轨辨识方法。该方法可以分为2步:第一步辨识组合航天器的质量和质心;第二步辨识组合航天器的惯性张量。该方法优点是实现了质量、质心与惯性张量等辨识参数的相互解耦,不需要消耗航天器上宝贵的喷气燃料,仅需要测量航天器的速度,而不是加速度和力。仿真结果验证了方法的有效性。     

再入飞行器的大机动轨迹实现

考虑了静不稳定再入飞行器的大机动轨迹的实现问题，利用不非线性系统的输出解耦方法设计了姿态稳定控制规律，并提出了一种带末端修正的比例导引控制律，上述两种控制律 中权组合控制方案实现了再入飞行器的大机动和精确攻击，给出的仿真结果证明了控制方案的有效性。     

多小型飞行器自主编队姿态协同控制方法

针对多小型飞行器空间自主编队姿态协同飞行任务,研究了空间多小型飞行器自主编队在空间干扰影响下的姿态协同控制问题.考虑到编队无法获取外界参考信息,需要进行自主编队的情况,提出一种编队姿态协同控制方法.首先,提出的控制方法基于小型飞行器绝对姿态信息实现编队姿态协同,能够适应多种编队通信拓扑结构,并且对于外干扰力矩具有较强的鲁棒性;然后,根据Lyapunov定理,从理论上证明了闭环系统的稳定性和收敛性;最后,通过数值仿真验证了理论分析结果及所提出控制方法的有效性.研究结果表明,所提出的控制方法能够在干扰力矩作用下,利用小型飞行器绝对姿态信息实现编队姿态协同,且能够适应多种编队构型.     

空间目标的轨迹和姿态数据生成

针对空间目标的轨迹和姿态数据生成问题,对各类空间目标的特性进行了深入的分析,将其基准弹道分为4种类型并分别给出了设计方法,在此基础之上建立了分导弹道设计方法,该方法无需长时间的准备工作,大大简化了系统仿真的工作量。此外为模拟中段目标的微动特性建立了由微动特征量直接计算姿态数据的姿态数据生成方法,该方法无需进行积分计算,加快了计算速度。最后对以上方法进行了仿真验证。仿真结果表明,提出的方法能够在10 s内生成准确命中目标的四类基准弹道和分导弹道。此外,生成的姿态数据能够反映中段目标的微动特性,数据生成耗时短且无需事先准备工作,能够较好地满足系统仿真的要求。     

全导式多弹头分导子系统初始对准算法研究

提出了一种适用于全导式多弹头分导系统的初始对准算法。以MEMS IMU/GPS组合作为子弹头制导系统,对准算法分3部分,由陀螺仪积分描述弹体系在惯性空间姿态变化;由GPS位置信息描述导航系在惯性空间姿态变化;采用2级减速方案及Quest算法确定载体系及导航系在对准开始时刻的相对姿态。分析了器件误差、弹体俯仰角初值、弹体机动方式及强度对对准结果的影响。Monte Carlo仿真表明,采用10°/h陀螺和0.1 m/s GPS组合时,在弹头2级减速机动下,20 s内水平误差小于0.12°(1σ),方位误差小于0.4°(1σ),完全满足分导系统初始对准精度要求,为工程应用提供了有益参考。     

星敏感器姿态测量算法的仿真

对空间飞行器姿态的实时、高精度确定是空间飞行器必须解决的关键问题,对姿控、导航、定位,尤其是遥感摄影测量具有重要意义.文中通过介绍姿态测量部件--星敏感器的基本工作原理和系统的构成以及像点模拟、导航星库制定、星图识别方法、姿态计算等仿真模型,阐述了对星敏感器姿态测量过程进行仿真的原理、方法、步骤,并给出了仿真结果,仿真验证了算法能够达到动态运行的要求,而且与静态运行时精度吻合.     

单天线GPS/加速度计组合测姿方法研究

为了提高微小型飞行器和导弹等横向尺寸不足以安装多天线GPS的飞行载体的姿态测量精度,研究了利用单天线GPS和加速度计组合进行姿态测量的方法.引入了伪姿态的概念,提出了由伪姿态测量辅助求取载体姿态的具体算法,阐述了单天线GPS和加速度计组合测姿的基本原理.建立了单天线GPS姿态测量的数学模型,给出了其姿态的求解过程,阐明了其物理意义.对单天线GPS测姿系统进行了半实物仿真试验.仿真结果表明:该测姿系统可以实时提供高精度的姿态信息,为单天线GPS/SINS组合导航系统在微小飞行器上的应用奠定了基础.     

基于双DSP的某飞行器飞行姿态控制系统的软件设计

为了使飞行器达到预定的飞行目标,需要对其飞行姿态进行控制,使飞行器能够尽可能地接近预定轨迹飞行.设计了一种由双DSP作为主控制器的飞行器飞行姿态控制系统的软件,主CPU根据预定的飞行姿态数据和GPS结合惯导的复合导航系统提供的飞行器实时姿态数据,完成姿态控制数据和飞行轨迹数据的计算,副CPU对舵机系统进行控制.控制系统采用双DSP将数据计算和控制飞行姿态分开,控制周期较单DSP缩短了约50%,提高了响应速度.经过样机调试,实现了双DSP控制系统对飞行器飞行姿态的控制.     

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。     

输入受限空间飞行器大角度机动控制器设计

研究了控制力矩受限时空间飞行器的大角度姿态机动控制问题。为克服大角度机动时使用欧拉角可能产生的奇异问题,文中使用四元数形式的微分方程来描述飞行器的运动。首先运用Lyapunov方法,然后根据能量重置耗散思想,基于非线性脉冲混杂系统的扩展La-Salle不变集原理,设计了混杂脉冲大角度调节器。仿真结果表明:控制算法能在输入力矩有限的条件下较快地实现姿态大角度机动,具有设计简单、易于工程实现的特点。     

基于动态反馈的AUV水平面路径跟踪控制

针对离散自治水下机器人水平面的路径跟踪控制问题,利用水下机器人的位置和姿态角量测信息,提出神经网络自适应输出反馈控制器.所设计的控制器包括3部分,镇定水下机器人动态系统线性部分的动态反馈控制器;神经网络控制器,用来补偿水下机器人受到环境干扰引起的水动力系数变化的不确定非线性结构;补偿环境扰动和神经网络带来的重构误差的鲁棒控制器.基于离散非线性系统理论,对水下机器人水平面跟踪误差系统进行分析,得到系统的跟踪误差最终一致有界.所提出的控制方法具有对模型精确度要求低的优点,利用INFANTE水下机器人模型进行仿真分析验证了提出的控制算法的有效性.     

面向机动的临近空间飞行器自适应协调控制

为提高临近空间飞行器的机动性能,提出一种结合推力矢量的新型自适应滑模控制方法,并搭建闭环最优控制分配系统,实现气动舵面与矢量喷管最优分配,保证飞行器稳定机动飞行。首先为应对机动飞行环境中复杂不确定,设计新型自适应滑模控制器,放宽了现有自适应滑模控制不确定有界性限制,获得确保姿态角稳定跟踪的期望控制力矩。引入推力矢量技术的临近空间飞行器存在多种控制输入,控制分配是机动飞行控制的关键。其次为确保机动飞行稳定安全,从稳定性角度提升分配性能,设计闭环最优控制分配策略,将期望控制力矩精确稳定地分配到执行器,完成气动舵面和矢量喷管协调控制,实现机动飞行中姿态角对参考指令的稳定跟踪。仿真结果表明：推力矢量技术对于扩大临近空间飞行器横纵方向姿态角变化范围具有有效性,同时验证了所设计控制策略能够在复杂不确定影响下保证飞行姿态稳定。     

采用帆板-滑块执行结构的太阳帆姿态控制

为实现太阳帆三轴姿态控制,采用一种新型的帆板-滑块执行机构进行姿态控制.基于滑模控制理论提出一种强鲁棒的姿态控制器,以抑制执行机构工作过程中航天器转动惯量变化对姿态控制的影响.此外,引入自适应律,提出一种自适应抗扰控制律,以抑制光压力矩和引力梯度力矩对姿态的干扰作用.最后,基于执行机构的动力学特性设计了操纵律,解算出帆板转动角度和滑块滑动位移,提供给控制器所需控制力矩.仿真结果表明:采用所提控制律和执行机构操纵律可使太阳帆姿态较快地机动至期望位置,并较好地抑制了转动惯量变化、光压力矩干扰和引力梯度力矩干扰带来的影响,同时使控制力矩、帆板角度和滑块位移均保持在适当的幅值范围内.所提控制策略有效地实现了太阳帆三轴姿态控制.     

Adaptive variable structure control based on backstepping for spacecraft with reaction wheels during attitude maneuver

An adaptive variable structure control method based on backstepping is proposed for the attitude maneuver problem of rigid spacecraft with reaction wheel dynamics in the presence of uncertain inertia matrix and external disturbances. The proposed control approach is a combination of the backstepping and the adaptive variable structure control. The cascaded structure of the attitude maneuver control system with reaction wheel dynamics gives the advantage for applying the backstepping method to construct Lyapunov functions. The robust stability to external disturbances and parametric uncertainty is guaranteed by the adaptive variable structure control. To validate the proposed control algorithm, numerical simulations using the proposed approach are performed for the attitude maneuver mission of rigid spacecraft with a configuration consisting of four reaction wheels for actuator and three magnetorquers for momentum unloading. Simulation results verify the effectiveness of the proposed control algorithm.     

Combined Control Allocation and Sliding Mode Control in the Dynamic Control of a Vehicle with Eight In-Wheel Motors

An eight wheel independently driving steering (8WIDBS) electric vehicle is studied in this paper. The vehicle is equipped with eight in-wheel motors and a steer-by-wire system. A hierarchically coordinated vehicle dynamic control (HCVDC) system, including a high-level vehicle motion controller, a control allocation, an inverse tire model and a lower-level slip/slip angle controller, is proposed for the over-actuated vehicle system. The high-level sliding mode vehicle motion controller is designed to produce desired total forces and yaw moment, distributed to longitudinal and lateral forces of each tire by an advanced control allocation method. And the slip controller is designed to use a sliding mode control method to follow the desired slip ratios by manipulating the corresponding in-wheel motor torques. Evaluation of the overall system is accomplished by sine maneuver simulation. Simulation results confirm that the proposed control system can coordinate among the redundant and constrained actuators to achieve the vehicle dynamic control task and improve the vehicle stability.     

Research on the attitude regulation of 3-DOF hover system

Quadrotor helicopter is emerging as a popular platform for unmanned aerial vehicle re- search, due to its simplicity of structure and maintenance as well as the capability of hovering and vertical take-off and landing. The attitude controller is an important feature of quadrotor helicopter since it allows the vehicle to keep balance and perform the desired maneuver. In this paper, nonlin- ear control strategies including active disturbance rejection control （ADRC）, sliding mode control （SMC） and backstepping method are studied and implemented to stabilize the attitude of a 3-DOF hover system. ADRC is an error-driven control law, with extended state observer （ESO） estimating the unmodeled inner dynamics and external disturbance to dynamically compensate their impacts. Meanwhile; both backstepping technique and SMC are developed based on the mathematical model, whose stability is ensured by Lyapunov global stability theorem. Furthermore, the performance of each control algorithm is evaluated by experiments. The results validate effectiveness of the strate- gies for attitude regulation. Finally, the respective characteristics of the three controllers are high- lighted by-comparison, and conclusions are drawn on the basis of the theoretical and experimental a- nalysis.     

卫星姿态调节的自适应滑模控制器设计

针对刚体卫星的姿态调节问题,提出了一种自适应滑模控制器设计方法.在卫星转动惯量参数存在不确定性时,设计了基于李亚普诺夫方法的自适应滑模控制律,实现了对惯量参数的实时辨识.同时为克服滑模控制中控制量存在的固有的抖振问题,又提出了采用双曲正切函数代替符号函数的控制方案.最后对卫星姿态控制系统进行了仿真研究.结果表明,所设计的控制方案在实现姿态调节控制的同时,完成了对卫星转动惯量的辨识,并有效地抑制了外部扰动.     

小卫星大角度姿态机动的变结构控制方法

大角度姿态机动是高分辨率遥感小卫星的关键技术之一,在反作用轮速率饱和限制条件下,为获得较短的机动时间,在极大值原理和变结构控制理论的基础上,提出分步优化的方法,设计了次最优控制,避免了直接优化控制存在的困难,仿真结果表明：控制算法能在反作用轮速率饱和限制条件下较快地实现姿态大角度机动,具有设计简单、易于实现和鲁棒性好等特点。