基于对偶四元数的航天器相对位姿耦合自适应控制

发布时间：2017-06-28 20:23

  本文关键词：基于对偶四元数的航天器相对位姿耦合自适应控制，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着航天技术的不断发展,航天器在轨服务技术逐渐向无人自主在轨服务这一方向发展,而航天器相对位置和姿态的耦合控制是实现在轨服务的关键技术基础。本文针对服务航天器对目标航天器进行近距离操作时的相对位姿耦合控制问题,研究了一体化的动力学建模方法以及相应的相对位置和姿态的耦合控制算法。论文的主要内容如下:研究了基于对偶四元数描述航天器运动的方法,说明了该描述方法对应的物理意义。基于对偶四元数这一数学理论工具,建立了基于对偶四元数的航天器相对位姿耦合动力学模型。针对一些控制理论在推导时普遍采用矩阵运算形式的情况,通过取对偶四元数矢量部分为系统状态,建立了矩阵乘法表示的系统方程。采用此系统方程,基于非线性系统理论中的反步设计法和模型参考自适应控制理论设计了自适应Backstepping控制器。为了与其进行对比,采用基于对偶四元数建模所得到的系统方程设计了包含可建模摄动力、干扰力矩和非线性耦合项前馈的位姿一体化PD控制器。通过理论分析说明了自适应Backstepping控制器对质量特性偏差具有较强鲁棒性,并通过仿真进行了验证。采用变结构控制的思想,设计了基于对偶四元数的滑模变结构控制器,并将其与模型参考自适应控制相结合设计了自适应滑模变结构控制器。分析了以上两种控制器的稳定性。并在理论上说明了自适应滑模变结构控制器能更好地补偿干扰项,从而对转动惯量不确定性较大的情况具有更强的鲁棒性。通过数学仿真,验证了两种控制器的有效性,并说明了自适应滑模变结构控制器鲁棒性更强。
【关键词】：对偶四元数 位姿耦合控制 自适应控制 反步设计法 滑模变结构控制
【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】：2015
【分类号】：V448.22
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-15
• 1.2.1 在轨服务技术的发展概况9-12
• 1.2.2 对偶四元数的发展和应用12
• 1.2.3 位姿耦合动力学建模研究现状12-13
• 1.2.4 航天器姿轨耦合控制研究现状13-15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第2章 基于对偶四元数的姿轨一体动力学建模17-32
• 2.1 引言17
• 2.2 坐标系定义17-18
• 2.3 四元数18-22
• 2.3.1 四元数的定义和基本运算18-19
• 2.3.2 基于单位四元数的航天器相对姿态动力学建模19-22
• 2.4 对偶数22-24
• 2.5 对偶四元数24-31
• 2.5.1 对偶四元数的定义和基本运算24-25
• 2.5.2 基于对偶四元数的航天器相对动力学建模25-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 自适应Backstepping控制32-49
• 3.1 引言32
• 3.2 基于对偶四元数的自适应Backstepping控制32-39
• 3.3 基于对偶四元数的PD控制39-41
• 3.4 仿真验证41-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第4章 自适应滑模变结构控制49-63
• 4.1 引言49
• 4.2 基于对偶四元数的滑模变结构控制49-52
• 4.3 基于对偶四元数的自适应滑模变结构控制52-56
• 4.4 仿真验证56-62
• 4.5 本章小结62-63
• 结论63-64
• 参考文献64-67
• 攻硕士学位期间发表的论文及其它成果67-69
• 致谢69

【参考文献】

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1 崔乃刚;王平;郭继峰;程兴;;空间在轨服务技术发展综述[J];宇航学报;2007年04期

  本文关键词：基于对偶四元数的航天器相对位姿耦合自适应控制，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：495161