航天器姿态运动规划的最优控制研究

发布时间：2022-07-29 21:09

　　在科学技术力量的推动下,航天器姿态运动的控制技术得到长足的发展,同时针对欠驱动航天器姿态运动的最优控制研究也取得了相当多的科研成果,本文将采用Chebyshev-Gauss（CG）伪谱法展开对全驱动航天器和欠驱动航天器姿态运动规划的最优控制研究。具体内容如下:首先,采用欧拉姿态角和四元参数建立航天器系统的两种姿态运动学方程;推导出航天器主体、动量轮及单框架控制力矩陀螺的角动量表达式,根据动量矩定理推导出包含推进器、动量轮以及单框架控制力矩陀螺在内的航天器姿态动力学方程的一般形式,并将其分别转变为仅在一种驱动装置作用下的动力学方程,以及对应的欠驱动形式。然后,给出最优控制问题的Bolza表示形式;介绍了最优控制问题的求解方法;考虑到实际问题中对能耗的限制以及对机动时间的要求,在时间最优指标函数和能量最优指标函数的基础上设计了时间-能量最优指标函数;分别介绍了Gauss伪谱法以及CG伪谱法的相关理论及求解步骤。最后,对带三个动量轮的航天器,根据能量最优原理进行了姿态运动问题的研究,并用时间最优指标函数验证求解结果的正确性;对动量轮作用的欠驱动航天器以及推进器作用的欠驱动航天器分别作了CG伪... 

【文章页数】：59 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 背景及研究现状
        1.2.1 全驱动航天器及欠驱动航天器姿态控制
        1.2.2 伪谱法及最优控制
    1.3 本文主要内容及结构安排
第2章 航天器系统的姿态运动方程
    2.1 航天器驱动类型
        2.1.1 推进器驱动
        2.1.2 动量轮驱动
        2.1.3 控制力矩陀螺驱动
    2.2 航天器系统的运动学方程
    2.3 航天器系统的角动量
        2.3.1 航天器主体的角动量
        2.3.2 动量轮的角动量
        2.3.3 控制力矩陀螺的角动量
        2.3.4 系统总角动量
    2.4 全驱动航天器系统的姿态动力学方程
        2.4.1 推进器驱动
        2.4.2 动量轮驱动
        2.4.3 控制力矩陀螺驱动
    2.5 欠驱动航天器系统的姿态动力学模型
        2.5.1 推进器驱动
        2.5.2 动量轮驱动
        2.5.3 控制力矩陀螺驱动
    2.6 本章小结
第3章 基于CG伪谱法的最优控制问题
    3.1 最优控制问题
        3.1.1 问题的描述
        3.1.2 时间最优控制、能量最优控制与时间-能量最优控制
    3.2 Gauss伪谱法
    3.3 CG伪谱法
        3.3.1 CG伪谱法的原理
        3.3.2 优化策略
    3.4 本章小结
第4章 航天器系统的姿态运动规划
    4.1 全驱动航天器系统
        4.1.1 三动量轮驱动的航天器
        4.1.2 三推进器驱动的航天器
        4.1.3 四个控制力矩陀螺驱动的航天器
    4.2 欠驱动航天器系统
        4.2.1 由两推进器驱动的欠驱动航天器
        4.2.2 动量轮驱动的欠驱动航天器能量最优控制
        4.2.3 动量轮驱动的欠驱动航天器时间-能量最优控制
        4.2.4 控制力矩陀螺驱动的欠驱动航天器
    4.3 本章小结
第5章 结束语
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
致谢
个人简历、在读期间发表的学术论文


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于终端滑模的航天器自适应预设性能姿态跟踪控制[J]. 马广富,朱庆华,王鹏宇,郭延宁.  航空学报. 2018(06)
[2]基于hp自适应伪谱法的空间机器人路径规划[J]. 曾祥鑫,崔乃刚,郭继峰.  机器人. 2018(03)
[3]基于Gauss伪谱法的欠驱动航天器姿态优化控制[J]. 易中贵,戈新生.  应用数学和力学. 2017(12)
[4]Model predictive control of rigid spacecraft with two variable speed control moment gyroscopes[J]. Pengcheng WU,Hao WEN,Ti CHEN,Dongping JIN.  Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2017(11)
[5]空间绳系太阳能电站初始姿态误差影响分析[J]. 李学府,蔡志勤.  应用力学学报. 2017(05)
[6]Optimal control of attitude for coupled-rigid-body spacecraft via Chebyshev-Gauss pseudospectral method[J]. Xinsheng GE,Zhonggui YI,Liqun CHEN.  Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2017(09)
[7]基于控制力矩陀螺的BTT飞行器协调转弯控制[J]. 赵坤,曹登庆,黄文虎.  航空学报. 2017(09)
[8]欠驱动航天器飞轮控制方法[J]. 张佳为,许诺,伍少雄.  宇航学报. 2016(05)
[9]伪谱法及其在飞行器轨迹优化设计领域的应用综述[J]. 杨希祥,杨慧欣,王鹏.  国防科技大学学报. 2015(04)
[10]柔性太阳帆航天器大角度机动控制研究[J]. 张瑾,王天舒,翟坤.  工程力学. 2014(11)

硕士论文
[1]基于高斯伪谱法的弹道优化设计与实现[D]. 张洪倩.南京理工大学 2014



本文编号：3667188