基于终端滑模的航天器交会相对位置和姿态控制研究
发布时间：2020-07-11 01:06
【摘要】：随着人类探索和开发太空资源需求的日益增加,航天任务正朝着多样化和复杂化的方向发展。航天器交会作为各种航天任务,如型空间结构的组装、空间碎片清理、航天器在轨服务以及空间攻防等中的关键技术,有着十分重要的作用。而在航天器交会技术领域,航天器位置和姿态控制方案设计因其重要性一直是研究的热点问题。由于太空中存在着各种扰动,且航天器交会任务对位置和姿态的控制精度要求较高,再加上交会过程中可能发生的碰撞和执行机构障碍等问题,这些都给位置和姿态控制方案的设计带来了挑战。本文以航天器交会任务为背景,针对航天器位置和姿态控制方案设计问题,基于终端滑模技术分别设计了相应的控制方案。论文的主要研究内容如下:首先考虑航天器交会过程中相对位置和相对姿态运动的建模问题。对于航天器相对位置建模,采用T-H方程描述追踪航天器和目标航天器之间的相对位置运动模型;对于航天器相对姿态运动建模,利用四元数描述航天器的相对姿态。然后针对追踪航天器的位置控制问题,先是从收敛速度以及控制精度的角度考虑,采用非奇异终端滑模方法设计了位置跟踪控制器,并引入正弦函数避免控制器的奇异问题;进而将非奇异终端滑模拓展为固定时间终端滑模,提出了能够使航天器相对位置在固定时间内收敛到平衡点的控制算法;考虑交会过程中的避碰问题,将固定时间终端滑模趋近律与人工势函数相结合,设计了反馈控制算法。最后针对追踪航天器的姿态控制问题,考虑到固定时间终端滑模性能的优越性,基于固定时间终端滑模方法设计姿态跟踪控制器;对于执行机构故障以及干扰上界未知的情况,将固定时间终端滑模控制和自适应控制相结合设计姿态跟踪控制器;接着考虑抗退绕问题,引入包含四元数标量的辅助变量并构造积分终端滑模,设计姿态跟踪控制器。最后通过数值仿真验证上述控制算法的有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.2;V526
【图文】：
第 1 章 绪 论第1章 绪 论1.1 课题研究的背景和意义近年来航天领域的技术发展迅速，为国家安全、经济发展、科技进步以及资源开发等领域带来了综合效益，它的发展不仅能显著提升一个国家的综合国力，也为资源和环境等世界面临的共同问题提供了新的解决途径。航天器交会技术作为各种航天任务中的关键技术之一，如大型空间结构的组装，空间碎片清理，航天器在轨服务以及空间攻防等，一直以来都是研究的热点问题[1]。所谓的航天器交会指的是两个航天器在空间中的同一位置，以相同的姿态会合的过程[2]，这一过程通常涉及追踪航天器和目标航天器，一般来说，目标航天器是不可控的，故需要控制追踪航天器的位置和姿态以接近目标航天器并实现交会。
图 1-2 “阿波罗号”飞船 图 1-3“和平号”空间站前苏联于 1967 年进行世界上首次航天器自主交会对接任务[7]，实现了“宇宙”186 号飞船与“宇宙”188 号飞船的交会对接。随后，在 1971 年至 1986 年期间，前苏联发射了多个宇宙空间站，并进行了数十次的交会对接任务。1986 年 1月，前苏联发射了永久性载人空间站“和平号”，并使用交会对接技术进行了多次在轨组装。前苏联是实现交会对接任务最多的国家，极大的促进了世界航天技术的发展。2000 年 7 月，俄罗斯将“星辰号”服务舱发射入轨并成功组装到国际空间站上，实现了空间站的长期载人。欧洲航天局于 20 世纪 80 年代开始进行交会对接技术的研究，并成功研制了用于国际空间站后勤补给的 ATV(Automated Transfer Vehicle)飞船[8]，ATV 具有自主交会对接的能力以及很强的运载能力，目前已多次实现与国际空间站的交会对接。
图 1-2 “阿波罗号”飞船 图 1-3“和平号”空间站前苏联于 1967 年进行世界上首次航天器自主交会对接任务[7]，实现了“宇宙”186 号飞船与“宇宙”188 号飞船的交会对接。随后，在 1971 年至 1986 年期间，前苏联发射了多个宇宙空间站，并进行了数十次的交会对接任务。1986 年 1月，前苏联发射了永久性载人空间站“和平号”，并使用交会对接技术进行了多次在轨组装。前苏联是实现交会对接任务最多的国家，极大的促进了世界航天技术的发展。2000 年 7 月，俄罗斯将“星辰号”服务舱发射入轨并成功组装到国际空间站上，实现了空间站的长期载人。欧洲航天局于 20 世纪 80 年代开始进行交会对接技术的研究，并成功研制了用于国际空间站后勤补给的 ATV(Automated Transfer Vehicle)飞船[8]，ATV 具有自主交会对接的能力以及很强的运载能力，目前已多次实现与国际空间站的交会对接。
本文编号：2749730
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448.2;V526
【图文】：
第 1 章 绪 论第1章 绪 论1.1 课题研究的背景和意义近年来航天领域的技术发展迅速，为国家安全、经济发展、科技进步以及资源开发等领域带来了综合效益，它的发展不仅能显著提升一个国家的综合国力，也为资源和环境等世界面临的共同问题提供了新的解决途径。航天器交会技术作为各种航天任务中的关键技术之一，如大型空间结构的组装，空间碎片清理，航天器在轨服务以及空间攻防等，一直以来都是研究的热点问题[1]。所谓的航天器交会指的是两个航天器在空间中的同一位置，以相同的姿态会合的过程[2]，这一过程通常涉及追踪航天器和目标航天器，一般来说，目标航天器是不可控的，故需要控制追踪航天器的位置和姿态以接近目标航天器并实现交会。
图 1-2 “阿波罗号”飞船 图 1-3“和平号”空间站前苏联于 1967 年进行世界上首次航天器自主交会对接任务[7]，实现了“宇宙”186 号飞船与“宇宙”188 号飞船的交会对接。随后，在 1971 年至 1986 年期间，前苏联发射了多个宇宙空间站，并进行了数十次的交会对接任务。1986 年 1月，前苏联发射了永久性载人空间站“和平号”，并使用交会对接技术进行了多次在轨组装。前苏联是实现交会对接任务最多的国家，极大的促进了世界航天技术的发展。2000 年 7 月，俄罗斯将“星辰号”服务舱发射入轨并成功组装到国际空间站上，实现了空间站的长期载人。欧洲航天局于 20 世纪 80 年代开始进行交会对接技术的研究，并成功研制了用于国际空间站后勤补给的 ATV(Automated Transfer Vehicle)飞船[8]，ATV 具有自主交会对接的能力以及很强的运载能力，目前已多次实现与国际空间站的交会对接。
图 1-2 “阿波罗号”飞船 图 1-3“和平号”空间站前苏联于 1967 年进行世界上首次航天器自主交会对接任务[7]，实现了“宇宙”186 号飞船与“宇宙”188 号飞船的交会对接。随后，在 1971 年至 1986 年期间，前苏联发射了多个宇宙空间站，并进行了数十次的交会对接任务。1986 年 1月，前苏联发射了永久性载人空间站“和平号”，并使用交会对接技术进行了多次在轨组装。前苏联是实现交会对接任务最多的国家，极大的促进了世界航天技术的发展。2000 年 7 月，俄罗斯将“星辰号”服务舱发射入轨并成功组装到国际空间站上，实现了空间站的长期载人。欧洲航天局于 20 世纪 80 年代开始进行交会对接技术的研究，并成功研制了用于国际空间站后勤补给的 ATV(Automated Transfer Vehicle)飞船[8]，ATV 具有自主交会对接的能力以及很强的运载能力，目前已多次实现与国际空间站的交会对接。
【参考文献】
相关期刊论文 前6条
1 马广富;张海博;胡庆雷;;基于反步法的主从航天器相对姿态控制[J];控制理论与应用;2012年06期
2 夏极;胡大斌;;终端滑模控制方法研究进展[J];化工自动化及仪表;2011年09期
3 张大伟;宋申民;裴润;段广仁;;非合作目标自主交会对接的椭圆蔓叶线势函数制导[J];宇航学报;2010年10期
4 梅杰;马广富;;近距离航天器相对轨道的鲁棒自适应控制[J];宇航学报;2010年10期
5 朱彦伟;杨乐平;;航天器近距离相对运动的鲁棒约束模型预测控制[J];控制理论与应用;2009年11期
6 宋斌,马广富,李传江,谌颖;基于H_∞鲁棒控制的挠性卫星姿态控制[J];系统仿真学报;2005年04期
相关博士学位论文 前1条
1 孟云鹤;近地轨道航天器编队飞行控制与应用研究[D];国防科学技术大学;2006年
本文编号：2749730
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