相对姿态运动学和动力学方程的另外形式

这篇论文系统地给出了相对姿态运动学和动力学方程的另外形式,是前篇文章的补充,其结果的表达也更加简洁。这些方程可方便地用来描述编队飞行和虚拟平台相对导航中的运动学和动力学关系,也可以用来实现大姿态获取和跟踪时的非线性全状态反馈控制或非线性输出反馈控制。论文最后给出了基于该方程在全状态反馈控制应用中的数值仿真结果。     

卫星编队飞行的轨道和姿态GPS自主同步反馈控制

鉴于编队飞行之中卫星不但对轨道有要求,而且对姿态也有要求,例如有的编队飞行卫星在惯性空间中有指向控制的要求,或者相互之间有保持一定的姿态关系的要求,同时在轨道控制过程中也需要姿态信息,因此在编队飞行的建立过程中,需要考虑姿态和轨道的协调控制和同步控制问题.本文提出了用汗同步控制的相对轨道和相对姿态运动学和动力学模型、控制率的选择和设计以及用GPS的伪距和载波相位实现轨道和姿态同步实时反馈控制方法.其中包括用修改的Kodrigues参数实现无奇异的大姿态机动的非线性状态跟踪控制.对EO-1/Landsat 7编队飞行的同步控制进行了数字仿真,证实了设计的正确性和实现的可行性.     

变质心自旋弹头的建模及自适应滑模控制

对自旋弹头实现末端机动的变质心控制系统进行了研究.为了明确表示自旋弹头的运动参数与质量块运动参数之间的关系,采用牛顿力学方法建立自旋弹头的姿态运动模型.模型包括质量块运动方程、姿态运动的运动学方程和动力学方程.考虑到俯仰和偏航通道的动力学特性为非线性的、铰链耦合的,采用自适应滑模控制方法设计了变质心控制系统,对系统中的不确定项进行估计和补偿,保证系统的跟踪误差收敛到零.变质心控制系统通过对质量块的偏移运动进行控制,进而准确地控制自旋弹头的姿态运动.为了检验所设计的变质心控制系统的控制性能,利用MATLAB/Simulink软件构建系统的仿真模型,进行仿真研究.仿真结果表明:所设计的变质心控制系统具有较高的快速性和控制精度,实现了对自旋弹头姿态角的准确控制.     

基于轨迹跟踪的航天器姿态自适应鲁棒控制

针对存在不确定惯量和空间环境干扰的挠性航天器姿态大角度快速机动控制问题,提出了一种受细胞膜放电模型启发的自适应鲁棒姿态控制器设计方法.首先,为了快速完成姿态机动任务,并尽可能少激发挠性帆板振动,在挠性航天器运动学和动力学分析的基础上,提出了基于预先规划姿态运动轨迹且对不确定惯量具有自适应能力的自适应鲁棒控制器.在此基础上,为了改善机动过程中姿态跳变使系统指向精度和稳定度变差的问题,基于细胞膜放电的动力学模型设计了一种改进型自适应鲁棒控制器.所提出的控制器能够保证闭环系统渐进稳定;当惯量估计误差有界时,对于任意初始跟踪误差,该控制器可以保证姿态跟踪误差一致终值有界.仿真结果表明了所提出的改进型自适应鲁棒控制器的有效性.     

用GPS输出反馈实现大角度姿态状态跟踪控制

本文首次讨论并给出了利用星上GPS输出反馈,来实现卫星大角度姿态机动的自主非线性状态跟踪控制系统的设计.其中包括非线性状态反馈控制器的设计以及利用星上GPS伪距测量输出信息,采用修改的罗格里德参数描述姿态状态方程,实现星上实时状态跟踪控制的非线性估计器的设计.文中以EO-1/LandSat7卫星编队飞行为背景,给出了姿态测量信息的获取、姿态状态估计和实时跟踪控制的数学仿真结果,验证了控制系统设计的可行性和正确性,精度指标满足要求.     

航天器姿态机动的滑模变结构控制与仿真*

针对航天器姿态机动的控制问题,设计了一种滑模变结构控制器,实现了航天器姿态对时变期望的跟踪。给出航天器姿态的数学描述,采用滑模控制思想设计了控制器,并基于Lyapunov稳定性理论给出控制器的稳定性证明。以推力器为姿态机动的执行机构,给出了控制信号的PWM调制方法。最后在Simulink环境下构建了仿真系统,仿真结果表明在该控制器下,航天器姿态可以实现对期望信号的跟踪。     

基于陀螺星光加激光交会雷达的相对姿态确定

针对编队飞行中从飞行器与主飞行器的相对姿态确定问题,提出了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的相对姿态确定方法. 采用修正罗德里格参数(MRPs)作为姿态描述参数避免奇异点. 姿态敏感器采用陀螺 星敏感器 激光交会雷达的配置模式,并且结合相对姿态动力学方程得到相对姿态确定的状态方程,建立起相对姿态确定的EKF模型. 仿真实例表明,EKF状态能在最慢300 s内收敛,MRPs的估计误差在10-5范围以内,该方法正确有效.     

任意椭圆轨道上磁性航天器姿态运动中的混沌及其控制

研究在具有内阻尼的磁性刚体航天器在椭圆轨道上平面天平动的混沌及其控制.建立了系统的动力学方程应用Melnikov方法建立了系统存在横截异宿环的条件.分别采用Poincare映射和Lyapunov指对系统混沌运动进行识别.采用输出变量反馈线性化控制律及其局部线性化将混沌姿态运动控制为给定的静止状态和周期运动.     

基于曲率跟踪方法的轴上拖挂轮式移动机器人的运动控制设计

目的 针对轴上拖挂轮式移动机器人中的挂车对目标轨迹精确跟踪控制问题,提出了一种能够跟踪挂车理想运动轨迹曲线相对曲率的双环控制方法。方法 首先通过梳理轴上拖挂轮式移动机器人受到的非完整约束建立出运动学模型,并通过欧拉-拉格朗日方程建立其动力学模型;然后利用运动学方程推导出挂车的理想运动轨迹曲线的相对曲率和拖车与挂车理想偏航角之差之间满足的重要函数关系式;最后基于该核心关系式,利用姿态误差系统的外环速度控制器和动力学模型的内环比例积分反馈控制器组成的双环控制方法来实现给定的跟踪任务。结果 仿真结果表明,对于外环系统,外环速度控制器使得姿态跟踪误差在经过一段时间的变化后全都趋近于零,实际的姿态变量最终稳定地趋近于目标姿态变量;对于内环系统,内环比例积分反馈控制器使得速度跟踪误差经过短暂的调整后趋近于零,实际速度值最终稳定地趋近于参考的速度值。结论 设计的双环控制器可以有效地实现姿态跟踪和速度跟踪,能够使挂车精确地跟踪理想运动轨迹曲线,由于在姿态跟踪过程中引入了挂车运动轨迹曲线的相对曲率,该方法可以极大地提高轨迹跟踪的精确度。     

基于OAT输入整形器和能量控制的不确定柔性航天器姿态跟踪

针对含模型不确定性的柔性航天器姿态跟踪和振动抑制问题,提出了一种将最优任意时延(OAT)输入整形器和能量控制相结合的控制方法.其中前馈控制是根据系统标称模型参数设计的OAT输入整形控制,将其与参考输入指令做卷积后作用到标称模型上能够实现期望的姿态跟踪,且当反馈控制环节出现故障时能保证受控系统的基本安全性.考虑到标称模型与实际系统间的误差,采用基于对象能量的跟踪控制方案设计了反馈控制器,并证明了与前馈控制结合后闭环系统的稳定性.仿真结果验证了所提出方法的优越性.     

低轨道航天器姿态跟踪机动控制研究

某些低轨道航天器在执行任务时 ,需要通过姿态控制系统使其有效载荷 (如星载相机 )在一段时间里连续指向地面或空间的给定目标。文中研究了带 3个反作用飞轮的低轨道航天器的姿态跟踪开展问题。首先根据刚体运动学知识推导出航天器的参考姿态角、参考角速度和参考角加速度表达式 ,然后基于卫星航天器姿态动力学给出了 3个互相垂直安装的反作用飞轮的控制律 ,并利用 L yapunov稳定性理论证明了闭环系统的渐近稳定性。最后通过数值仿真计算验证了控制算法的正确性     

卫星编队飞行指向跟踪姿态控制

卫星编队飞行的应用之一是受控卫星在目标卫星、空间站、载人飞船周围以“编队飞行”的形式相伴飞行,对目标进行观测或者执行更多的操作。该文研究这种应用中的姿态控制问题。假设两个飞行器的轨道信息已知,由轨道信息确定实现姿态跟踪调节所需的一种可能的期望姿态,给出了解析表达式,包括姿态角、姿态角速度及角加速度。采用基于四元数的控制律,用3个动量轮实现了卫星长时间、大角度姿态跟踪机动。仿真结果显示,在超过一个周期的仿真时间内,姿态及姿态角速度与期望姿态的吻合程度比较好,而且力矩的花费也不是太大。     

Direct Lyapunov-based control law design for spacecraft attitude maneuvers

A direct Lyapunov-based control law is presented to perform on-orbit stability for spacecraft attitude maneuvers. Spacecraft attitude kinematic equations and dynamic equations are coupled, nonlinear, multi-input multi-output(MIMO), which baffles controller design. Orbit angular rates are taken into account in kinematic equations and influence of gravity gradient moments and disturbance moments on the spacecraft attitude in dynamic equations is considered to approach the practical environment, which enhance the problem complexity to some extent. Based on attitude tracking errors and angular rates, a Lyapunov function is constructed, through which the stabilizing feedback control law is deduced via Lie derivation of the Lyapunov function. The proposed method can deal with the case that the spacecraft is subjected to mass property variations or centroidal inertia matrix variations due to fuel assumption or flexibility, and disturbance moments, which shows the proposed controller is robust for spacecraft attitude maneuvers. The unlimited controller and the limited controller are taken into account respectively in simulations. Simulation results are demonstrated to validate effectiveness and feasibility of the proposed method.     

挠性多体卫星姿态动力学与控制

三轴稳定卫星挠性附件的弹性振动和刚性部件的转动与卫星的姿态运动构成耦合的强非线性系统,因此须设计有效的控制律。该文研究了采用反作用飞轮作为执行机构、带有柔性附件和刚性转动部件的整星零动量三轴稳定卫星的姿态解耦控制问题。导出了卫星的多体系统动力学方程,并给出了部分线性化的形式。进一步利用反馈线性化方法将非线性耦合系统解耦,然后对线性化的系统模型进行状态反馈解耦和极点配置。数值仿真结果表明,该文所设计的控制方法具有很高的姿态控制精度和稳定度。     

基于相对视线矢量测量的多航天器编队相对姿态求解方法

航天器相对姿态求解是编队控制和保持的前提条件,针对远距离编队相对姿态求解问题,提出了一种基于相对视线矢量测量的多航天器编队相对姿态确定方案.考虑编队由3个航天器组成,每个航天器装备视觉传感器,可以测量到相对其余两个航天器的相对视线矢量,基于视觉传感器测量模型,推导了确定性姿态求解方法,并进行了数学仿真研究.仿真结果表明,多航天器编队相对姿态求解方法可以有效估计出航天器间的相对姿态,估计精度较高,能够满足航天器编队控制需求,解决了远距离编队情况下视觉传感器应用的局限性.      

灵敏航天器快速倾斜机动的MCMG参数和力矩估算

该文研究灵敏航天器快速倾斜机动时微型控制力矩陀螺(MCMG)的参数估算问题。所得到的估算结果可供微型控制力矩陀螺群初步设计时选择设计参数。从航天器的动力学模型出发,给出了倾斜机动模式下MCMG最大框架角速度和输出力矩的估算方法。然后在给定机动任务的前提下,以某小卫星为例,对采用标准金字塔构型的微型控制力矩陀螺群的姿态控制系统进行了仿真验证。仿真结果显示出该估算方法的可行性。