航天器近距离接近多约束位姿同步规划与控制方法研究
发布时间：2021-02-21 00:22
针对空间非合作目标接近任务的动态时变、多约束、位姿耦合、不确定性较大等特点,同时考虑机动过程制导与控制自主性、快速性和鲁棒性的需求,本文对近距离接近的位姿同步规划与控制方法进行研究,主要围绕复杂约束处理、性能指标选取及在线应用可行性等问题展开深入探讨,具体内容包括:分析非合作目标近距离接近的任务特性,对位姿系统动力学、传感器指向、机动安全性、控制能力受限、停靠对接条件等约束进行数学描述,综合考虑机动过程的能量消耗、目标视线角偏差、飞行时间等性能,构建了多约束下的位姿同步规划问题,并基于伪谱法进行了求解。结果表明,伪谱法能够获得满足多约束条件的位姿同步机动轨迹,但在时间-最优规划求解中存在较大的视场角约束违反风险,而加入视线角偏差的复合性能指标可有效缓解这一现象;此外,不同算例的计算性能评估结果表明,伪谱法的求解耗时起伏较大,对近距离接近动态时变工况的适应性不足。考虑快速稳定的在线求解需求,基于初值敏感度低、全局收敛保证的凸规划方法研究近距离接近的位姿同步规划问题。针对问题中的非凸约束,首先推导了修正罗德里格参数形式的姿态运动凸化模型用于系统动力学的仿射松弛;然后分别利用二阶锥近似、旋转...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 交会与接近操作相关演示任务
1.2.2 非合作目标交会与接近研究进展
1.2.3 航天器多约束轨迹规划方法
1.2.4 模型预测控制在航天系统中的应用
1.3 本文主要研究内容
第2章 近距离接近位姿同步规划问题及伪谱法求解
2.1 引言
2.2 位姿动力学和运动学
2.2.1 坐标系定义
2.2.2 质心相对运动模型
2.2.3 姿态运动模型
2.3 近距离接近最优控制问题
2.3.1 路径约束
2.3.2 边界条件
2.3.3 性能指标
2.4 利用Radau伪谱法的位姿同步规划
2.4.1 Radau伪谱法基本原理
2.4.2 仿真设置
2.4.3 仿真结果与分析
2.5 本章小结
第3章 固定时间能量最优问题的序列凸规划
3.1 引言
3.2 模型线性化与离散化
3.2.1 姿态运动方程线性化
3.2.2 系统动力学离散化
3.3 路径约束凸化
3.3.1 视场角约束凸化
3.3.2 障碍区域近似
3.3.3 控制约束凸化
3.4 序列凸规划方法
3.4.1 松弛的最优控制问题
3.4.2 信赖域约束
3.4.3 最优性条件
3.4.4 凸化子问题
3.4.5 算法描述
3.5 数值仿真与分析
3.5.1 仿真条件
3.5.2 结果与分析
3.6 本章小结
第4章 复合性能指标的位姿同步序列凸规划
4.1 引言
4.2 固定时间能量-视线角复合指标问题
4.2.1 视线角指标的凸化
4.2.2 能量-视线角复合指标凸化子问题
4.3 自由终端时间问题
4.3.1 独立变量替换
4.3.2 时间归一化系统动力学的凸化
4.3.3 虚拟控制变量
4.3.4 时间最优凸化子问题
4.3.5 自由终端时间的复合指标凸化子问题
4.4 自由终端时间问题的改进序列凸化方法
4.4.1 改进序列凸规划算法
4.4.2 非凸原问题的松弛及凸化
4.4.3 最优性条件
4.4.4 收敛性分析
4.5 数值仿真与分析
4.5.1 能量-视线角复合指标规划算例
4.5.2 时间最优规划算例
4.5.3 时间-视线角复合性能规划算例
4.6 本章小结
第5章 基于序列凸规划的近距离接近位姿控制
5.1 引言
5.2 基于双滑模面的位姿轨迹跟踪控制
5.2.1 相对运动轨迹跟踪控制
5.2.2 姿态状态跟踪控制
5.3 利用在线序列凸规划的滚动时域控制
5.3.1 滚动时域控制框架
5.3.2 在线规划子问题
5.3.3 稳定性及可行性分析
5.4 算例仿真与分析
5.4.1 仿真设置
5.4.2 双滑模面跟踪控制仿真分析
5.4.3 滚动时域控制仿真分析
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
本文编号：3043566
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：156 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 交会与接近操作相关演示任务
1.2.2 非合作目标交会与接近研究进展
1.2.3 航天器多约束轨迹规划方法
1.2.4 模型预测控制在航天系统中的应用
1.3 本文主要研究内容
第2章 近距离接近位姿同步规划问题及伪谱法求解
2.1 引言
2.2 位姿动力学和运动学
2.2.1 坐标系定义
2.2.2 质心相对运动模型
2.2.3 姿态运动模型
2.3 近距离接近最优控制问题
2.3.1 路径约束
2.3.2 边界条件
2.3.3 性能指标
2.4 利用Radau伪谱法的位姿同步规划
2.4.1 Radau伪谱法基本原理
2.4.2 仿真设置
2.4.3 仿真结果与分析
2.5 本章小结
第3章 固定时间能量最优问题的序列凸规划
3.1 引言
3.2 模型线性化与离散化
3.2.1 姿态运动方程线性化
3.2.2 系统动力学离散化
3.3 路径约束凸化
3.3.1 视场角约束凸化
3.3.2 障碍区域近似
3.3.3 控制约束凸化
3.4 序列凸规划方法
3.4.1 松弛的最优控制问题
3.4.2 信赖域约束
3.4.3 最优性条件
3.4.4 凸化子问题
3.4.5 算法描述
3.5 数值仿真与分析
3.5.1 仿真条件
3.5.2 结果与分析
3.6 本章小结
第4章 复合性能指标的位姿同步序列凸规划
4.1 引言
4.2 固定时间能量-视线角复合指标问题
4.2.1 视线角指标的凸化
4.2.2 能量-视线角复合指标凸化子问题
4.3 自由终端时间问题
4.3.1 独立变量替换
4.3.2 时间归一化系统动力学的凸化
4.3.3 虚拟控制变量
4.3.4 时间最优凸化子问题
4.3.5 自由终端时间的复合指标凸化子问题
4.4 自由终端时间问题的改进序列凸化方法
4.4.1 改进序列凸规划算法
4.4.2 非凸原问题的松弛及凸化
4.4.3 最优性条件
4.4.4 收敛性分析
4.5 数值仿真与分析
4.5.1 能量-视线角复合指标规划算例
4.5.2 时间最优规划算例
4.5.3 时间-视线角复合性能规划算例
4.6 本章小结
第5章 基于序列凸规划的近距离接近位姿控制
5.1 引言
5.2 基于双滑模面的位姿轨迹跟踪控制
5.2.1 相对运动轨迹跟踪控制
5.2.2 姿态状态跟踪控制
5.3 利用在线序列凸规划的滚动时域控制
5.3.1 滚动时域控制框架
5.3.2 在线规划子问题
5.3.3 稳定性及可行性分析
5.4 算例仿真与分析
5.4.1 仿真设置
5.4.2 双滑模面跟踪控制仿真分析
5.4.3 滚动时域控制仿真分析
5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
本文编号：3043566
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3043566.html
