基于气动舵面和RCS融合控制的高超声速飞行器再入姿态容错控制

针对高超声速飞行器再入姿态模型,研究气动舵面故障时的再入姿态容错控制.根据高超声速飞行器再入初期的特点,通常需要反作用控制系统(Reaction Control Systems,RCS)协助气动舵面完成姿态控制.采用Backstepping方法获得期望力矩,将气动舵面视为首要执行机构,在气动舵面之间控制分配期望的力矩.如果气动舵面不能达到期望力矩,则开启RCS,由RCS提供气动舵面不能提供的力矩.考虑舵面发生部分失效和卡死故障情况,设计基于控制分配算法的容错控制策略,使得系统在故障情况下仍旧保持稳定并恢复追踪性能.     

偏置动量轮控卫星姿态控制

研究了轮控的三轴稳定的偏置动量卫星姿态控制问题。卫星的俯仰回路采用偏置动量轮，滚动／偏航轴上各安装一个反作用飞轮来完成姿态控制。小姿态角下俯仰回路可以单独设计，利用测量的俯仰角来实现其姿态控制；滚动／偏航回路利用滚动信息，采用基于偏航观测器的滑模控制器设计。磁力矩器提供的磁矩与地磁场作用产生的力矩实现了飞轮的动量卸载。对卫星姿态控制系统进行的仿真研究结果表明，所设计的控制方案在飞轮输出力矩工作范围内，可使卫星达到很高的姿态控制精度。     

小卫星磁力矩器与反作用飞轮联合控制算法研究

磁力矩器和反作用飞轮是现代小卫星姿态控制的主要执行机构. 对于具有主动磁控能力的小卫星, 由于动力学与控制的耦合, 其动力学系统是一个有约束的非线性系统. 针对小卫星入轨阶段的姿态捕获控制, 提出了一种使用磁力矩器和反作用飞轮进行联合控制的算法. 仿真表明, 该算法鲁棒性好, 设计简单且易于在轨实时计算, 减少了反作用飞轮的饱和机会, 与单独使用磁力矩器控制相比, 缩短了姿态捕获时间.     

挠性卫星姿态的角动量反馈控制

利用动量交换装置的角动量测量和反馈来实现带有挠性附件卫星姿态的稳定控制是一个重要问题。为此,本文导出了角动量反馈控制器,给出了控制器参数的选取方法,分析了姿态控制误差与角动量测量误差的关系。结果表明,角动量反馈控制方法不仅能够保证姿态控制的稳定性,而且能够有效提高姿态控制的稳定度,并且对不确定挠性模态参数具有很强的鲁棒性。     

基于单个双框架变速控制力矩陀螺的卫星姿态反步控制

研究了利用单个双框架变速控制力矩陀螺(DGVSCMG)实现卫星三轴姿态控制问题;文章建立了基于单个DGVSCMG的卫星姿态动力学模型,在此基础上采用反步法设计控制律,分为姿态环的设计和角速度环的设计,并通过Lyapunov稳定性定理验证了控制算法的稳定性;最后对该控制律进行的数值仿真结果表明,21s后卫星姿态控制精度优于10-2°,姿态稳定度达到10-3°/s量级,验证了文章方法的有效性。     

卫星磁姿态控制方法与算法综述

自太空探索之初,姿态控制磁控系统便因其体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点被广泛应用于各类轨道卫星.近些年,随着微小卫星技术的迅猛发展,姿态控制磁控系统满足了微小卫星对质量、空间等资源的限制,成为了学者们研究的热点.本文综述了自20世纪60年代以来卫星尤其是微小卫星所采用的主要磁姿态控制方法和算法,包括飞轮起旋与卸载算法、被动以及主动磁姿态控制算法等.其中主动磁姿态控制算法包括主动磁阻尼算法、磁控与自旋、定转速飞轮、重力梯度力矩结合的算法以及纯磁控算法.最后对该研究进行了总结与展望.     

基于自组织小脑神经网络的挠性卫星姿态控制

研究卫星稳定性优化控制,卫星姿态控制系统是一个耦合的不确定非线性系统,在轨运行的卫星不可避免地受到模型参数不确定性和各种干扰力矩的影响,存在使挠性卫星大角度姿态机动的控制问题进一步复杂化.为了完成姿态控制任务,需要所设计的控制律具有较高的鲁棒性.采用滑模变结构控制对挠性卫星进行姿态机动控制,用神经网络对不确定性进行补偿,改变了传统的小脑神经网络补偿时实时性差的缺点,提出用自组织小脑神经网络对不确定性进行补偿,根据输入自动增加和减少节点数,并可以更新权值.对于模型的不确定性可以实时地补偿,提高了泛化能力.通过数值仿真,验证了所设计控制方法的有效性和鲁棒性,对优化卫星姿态稳定性控制提供依据.     

卫星飞轮转速过零问题的一种补偿方法

本文以小卫星姿态控制系统为研究对象,当反作用飞轮转速过零时,摩擦力发生非线性变化,控制作用力矩出现不确定性,从而影响小卫星的姿态控制性能.本文在最优控制基础上加入了颤震信号对摩擦力进行补偿,通过仿真实验分析,对比最优控制与补偿控制,后者能够有效地抑制反作用飞轮转速过零时引起的姿态扰动,从而实现了高精度的卫星姿态控制.     

基于飞轮的欠驱动航天器姿态控制器设计

在以飞轮作为姿态控制执行机构的航天器中,如果部分飞轮发生故障而使得航天器欠驱动时,姿态控制性能会急剧下降.本文对两个匕轮的刚性航天器,研究了姿态控制问题.在零动量的假设下,利用Backstepping方法,为欠驱动姿态控制系统设计了一个新型的姿态控制器.设计过程分两步进行:首先,根据姿态运动学模型,设计出可使航天器姿态全局渐近稳定的控制角速率;然后,根据姿态动力学模型,得到使航天器姿态全局渐近稳定的控制力矩.该控制器为非连续控制器,可使航天器姿态误差全局一致渐近收敛为零,并使系统具有良好的动态性能.计算机仿真表明,本文所设计出的控制器是可行的.     

敏捷卫星SGCMG群姿态机动测试用例设计研究

针对SGCMG群敏捷姿态机动这一新技术,研究一种SGCMG群姿态机动测试用例设计方法。在分析SGCMG运动特性的基础上,建立了SGCMG群卫星姿态动力学模型和SGCMG群力矩输出矩阵,由此开展了SGCMG群操纵律研究及奇异性分析;结合SGCMG群卫星姿态动力学模型、运动学模型和PID控制器设计,搭建了敏捷卫星姿态控制闭环仿真系统,采用不考虑奇异规避的广义操纵律进行闭环仿真,通过遍历搜索的仿真运算,寻找分别经历无奇异、显奇异和隐奇异的典型目标姿态角组合,完成了敏捷卫星SGCMG群奇异规避算法的测试用例设计与验证,实现了对SGCMG群敏捷机动能力与系统指标的全面考核,极大提高了测试用例覆盖的全面性和有效性,具有现实的工程意义。     

利用气动力矩卸载动量轮的策略

根据环境力矩的特点,针对轨道高度500km以下的一类卫星,提出一种全新的利用气动力矩卸载动量轮的策略,通过对卫星已有机构的功能复用在不增加执行机构的基础上实现卸载,极大地改善了磁力矩器卸载引入的电磁环境与姿态抖动问题.卸载策略既可以独立使用,也可以作为备份与其他卸载方案混合使用,具有重要的工程实践意义.仿真结果表明,卸载策略能够在不影响卫星整体功能的前提下实现动量轮的卸载.     

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.     

A minimum-fuel mode for steady-state attitude control of an earth-orbiting spacecraft

Steady-state reaction control of the attitude of a spacecraft in the presence of environmental disturbance torquesTis usually accomplished by using the thrusters to establish limit-cycle motion of acceptable amplitudes about all three axes. For such strategies, the greatest lower bound for the propellant consumption is proportional tointmin{t1}max{t2}|T|dt. The results presented in this paper show that when the disturbances are not unidirectional, the environment, consisting of gravity-gradient and aerodynamic torques, can be used to reduce this lower bound significantly. The linearized equation which describes the dynamics of an inertially referenced satellite has a periodic coefficient matrix and forcing vector. The existence of forced periodic solutions of such equations is established, and an algorithm for determining an initial point on the trajectory of these solutions in state space is provided. This defines a "natural" limit cycle, i.e., both turning points of this motion are produced by the environment. In particular, the periodic rotational motion about two of the spacecraft axes is produced by the aerodynamic torque, an effect which is usually neglected.     

惯性定向三轴稳定卫星姿态自适应滑模控制

在建立惯性定向三轴稳定卫星非线性耦合姿态运动模型的基础上,设计了姿态三轴稳定控制的自适应滑模变结构控制器。在控制器的设计中,考虑了小卫星惯量参数的不确定性以及外界力矩干扰的情况,利用自适应滑模变结构控制方法在线辨识干扰力矩的极值以及卫星惯量参数,并依此动态调整控制器的输出。基于Lyapunov稳定性原理证明了所设计的控制器能够使系统全局一致最终有界稳定。仿真结果表明了该控制方法的有效性和可行性。     

Spacecraft attitude dynamics and control in the presence of large magnetic residuals

This paper deals with the analysis and the control of the attitude dynamics of low earth orbit (LEO) satellites with large magnetic residual dipoles. The state dependent nature of the interaction of the spacecraft with the Earth's magnetic field is addressed and a model of the attitude dynamics augmented with the magnetic field is derived. The stability of the open-loop system is studied by linearization and tools from periodic systems theory. The effects of perturbations of the orbit parameters on the system stability are addressed. The analysis is the basis for the design of an attitude control strategy that allows to minimize the required control torque while satisfying an absolute pointing error constraint whenever direct compensation of magnetic disturbance torque is not achievable. Finally, the proposed approach is applied to the definition of a preliminary attitude control strategy for the AMS-02 mission and its performance is compared with the one attainable using a classical three-axis state feedback controller.     

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．     

Modeling and Trajectory Tracking Control for Flapping-Wing Micro Aerial Vehicles

This paper studies the trajectory tracking problem of flapping-wing micro aerial vehicles(FWMAVs)in the longitudinal plane.First of all,the kinematics and dynamics of the FWMAV are established,wherein the aerodynamic force and torque generated by flapping wings and the tail wing are explicitly formulated with respect to the flapping frequency of the wings and the degree of tail wing inclination.To achieve autonomous tracking,an adaptive control scheme is proposed under the hierarchical framework.Specifically,a bounded position controller with hyperbolic tangent functions is designed to produce the desired aerodynamic force,and a pitch command is extracted from the designed position controller.Next,an adaptive attitude controller is designed to track the extracted pitch command,where a radial basis function neural network is introduced to approximate the unknown aerodynamic perturbation torque.Finally,the flapping frequency of the wings and the degree of tail wing inclination are calculated from the designed position and attitude controllers,respectively.In terms of Lyapunov's direct method,it is shown that the tracking errors are bounded and ultimately converge to a small neighborhood around the origin.Simulations are carried out to verify the effectiveness of the proposed control scheme.     

A Singularity-free Steering Law of Roof Array of Control Moment Gyros for Agile Spacecraft Maneuver

In this paper, a singularity-free steering law for single gimbal control moment gyros (CMGs) is addressed for agile spacecraft. The geometrical array considered particularly in this work is a roof array due to the simplicity of singularity envelope. A feasible angular momentum chart which can provide a singularity-free bound is employed. The chart allows a guaranteed maximum torque output and angular momentum at any time without concerning the geometrical singularity of the array. Furthermore, a new deterministic allocation algorithm, called half-leading steering logic, of gimbal angular rates, is also suggested instead of the well-known pseudo-inverse technique to meet control torque commands required and to keep away from the singularity. It is noted that a momentum vector recovery to the initial direction is also an important task for the CMG array to overcome the singularity and for the reliable operation of CMGs. An optimization technique is addressed to restore the gimbal vectors back to their original angular position after the attitude reorientation mission. The techniques proposed are demonstrated using illustrative numerical simulations.