某飞行器交会对接任务规划算法研究与实现

发布时间：2020-08-13 05:35

【摘要】：作为高新技术最为集中的,产业溢出效应最强的领域,空间技术一直是人们研究的热点。近年来,随着空间飞行任务的日益复杂和多样化,愈来愈多的场景需要多个飞行器协作完成空间任务。而对于多飞行器协同任务开展,飞行器自主交会对接则是一项需要重点攻关的技术。交会对接任务除了要求飞行器有足够的机动能力外,还必须考虑对接操作的安全性能。为了降低系统的复杂度,提高系统的鲁棒性和安全性,本文引入混合系统控制思想来解决交会对接任务规划的问题。首先,把飞行器的交会对接过程分为以下四个主要阶段:1)远程交会段;2)近程交会段;3)对接阶段;和4)停靠阶段。定义了二体模型下的轨道约束,建立了各项约束下的飞行器交会对接相对动力学模型。推导并建立了基于角度测量的动力学模型,建立了基于角度和距离双重测量下的动力学模型。其次,鉴于每个阶段的约束不同,测量设备的范围有限和任务种类的不同,每个阶段具有不同的操作模式。本文引入混合系统的控制技术,根据上述四个阶段的需求属性,分别设计了能够处理各阶段任务的独立控制器,提出了一个混合监督器,协调这四个独立控制器完成整个任务。然后,本文分别对2DOF和3DOF下的交会对接任务,进行了详细分析,提出了满足各个阶段约束,且鲁棒的控制算法。在MATLAB中,对不同约束下的控制算法进行了仿真验证。而后在飞行器制导、导航和控制飞行软件系统中实现这种混合控制算法。得到的混合系统在环高保真仿真环境中进行测试和验证,所得的规划轨迹与仿真结果是相似的,可在规定时间内完成交会对接任务。最后,本文利用混合系统的典型验证系统C2E2、SDVTool和SpaceEx平台,验证了所提出的交会对接混合算法的安全性。本文提出了一种新型的监督(混合)控制算法,用于飞行器的自主交会对接任务。与之前的交会对接算法使用的地面控制切换或预定控制切换方法相比,本文提出的算法可根据飞行器的飞行状态实时确认交会对接所处的阶段,自动选择当前阶段的控制器模式。在高保真环境下的实验表明,该交会对接混合控制算法可实现交会规划任务,混合系统验证平台实验结果表明,该混合控制算法具有安全性和鲁棒性。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O221;V526
【图文】：

交会对接,飞行器,阶段划分,交会

电子科技大学硕士学位论文会段和交会停靠段（如下文中图片 1 -1所示）。在远程交会段中，地面断向追踪飞行器发送相应的控制信号，追踪飞行器通常都会进行多次，直到追踪飞行器的星敏感器成功捉捕到目标飞行器为止，然后利用器传回的相对位置运动信息进行分析，然后再向追踪飞行器发出近程制信息。在近程交会段中，飞行器将使用自己的控制系统实现轨道的并逐渐接近目标飞行器。这一阶段是为了做好交会停靠段的准备，这寻的阶段，在近程交会阶段一般还会存在一个接近段，是为逐步慢慢行器，这一阶段的工作会具体落实到确认起始位置、起始速度、起始为最终的交会停靠段做充分准备。在交会停靠段中，飞行器的控制系定各个方面的输出控制指令，例如飞行器的速度转变、位置变化以及速度变化等等，这确保了它以恰当的速度和角速度到达预期位置，从任务。飞行器的交会对接中的交会停靠段的控制常常是重点环节。

示意图,二体模型,示意图,二次导数

图 2-1 二体模型示意图-1）中的矢量关系，可得：rrc er中，整理可得：rmmmrrmmmrcecpceep ecrr二次导数，结合牛顿第二定律以及万有引力定03c rrGmmre（）

坐标系,飞行器,目标,地球

第二章飞行器自主交会的动力学模型距要远远小于这两个飞行器与地球中心之间的距离，对模型进行建模，该坐标系有利于分析飞行器的相对式（ 2 -5）对（目标飞行器—地球）、（追踪飞行器—地体模型建模分析，并且基于目标飞行器建立希尔坐标为希尔坐标系的原点；地球质心指向目标飞行器矢量 r希尔坐标系的 y 轴是目标飞行器运动轨道的切向方向，内，且与希尔坐标系的 x 轴相垂直，规定目标飞行器向；而希尔坐标系的 z 轴与轨道表面相垂直，且与 x

【参考文献】