基于代数图论的多航天器编队协同控制方法研究

发布时间：2017-08-22 22:05

  本文关键词：基于代数图论的多航天器编队协同控制方法研究

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【摘要】：为了满足黑洞事件视界(Event Horizon)和类地行星探测等空间任务需求,诸如深空光学干涉仪等编队飞行任务需要多达数十乃至数百颗航天器的协同工作才能完成。协同控制是完成多航天器编队在轨任务的基本保证,其实现基础为星间的协同信息共享。受航天器敏感器视场、通信带宽和范围的限制,以及空间相互遮挡、电磁和力学环境的影响,以光学测量或星间通信为手段的星间信息共享链路呈现单向、稀疏以及不可靠等特性。这种受限的信息共享条件不仅限制了航天器编队协同的方式,还会影响其协同能力,甚至会破坏编队系统的稳定性,因此成为未来多航天器编队飞行任务亟需考虑的问题。本学位论文以信息共享受限的多航天器编队飞行为背景,结合近年来兴起的多智能体一致性理论,以代数图论为工具分别对其轨道和姿态的协同控制问题进行深入研究,侧重分析信息共享受限条件下的编队稳定性和协同能力,为进一步的编队信息拓扑设计和协同控制提供参考。具体研究内容如下:对于深空多航天器编队系统,在信息共享受限条件下对其相对轨道施加控制以维持稳定的几何构形是编队任务顺利完成的必要条件。针对处于日-地/月系L2平动点的多航天器编队系统,考虑其相对状态测量的单向性以及编队信息拓扑的稀疏和时变性,首先提出了两跳邻居信息共享方案,设计了基于相对状态反馈的轨道协同控制算法,利用代数图论和矩阵特征值理论分别分析了固定有向拓扑、时变拓扑和输入时延情况下的系统稳定性,结果表明:在无时延或有限时延时,可实现编队协同的条件是信息拓扑存在一棵有向生成树。为增强编队对时变拓扑的鲁棒性,克服前述控制器对两跳邻居信息路由的需求,进一步提出了基于最近邻的分布式轨道协同控制算法,利用等价坐标变换将相应闭环系统转换成为指数稳定系统和一阶一致性算法组成的串级系统,进而基于一阶一致性理论分析了系统稳定性及其对时变拓扑的鲁棒性。结果表明:编队在信息拓扑为一致拟强连通图时即可实现协同,且系统稳定对控制器参数的约束条件与信息拓扑无关,从而增强了控制算法对信息拓扑切换的鲁棒性。此外,进一步给出了其控制输出的幅值上界,为控制输入受限情况下的控制器参数设计提供参考依据。为完成波束同步或分布式光学干涉成像等任务,成员航天器间的相对姿态协同控制是必须解决的问题。针对使用星间通信实现姿态信息共享的多航天器编队系统,考虑到星间通信的单向、稀疏和时变特性,首先在网络化Euler-Lagrange系统模型的基础上分别基于一阶一致性算法和二阶一致性算法设计了自适应姿态协同控制器,论证了其在有向通信网络特别是一致拟强连通的时变通信网络中的协同能力,给出了模型参数存在不确定性情况下的系统稳定性条件。在此基础上,利用Euler-Lagrange方程及其属性进一步提出了一个一般性的航天器姿态协同控制器设计框架,基于积分输入状态稳定(i ISS)和集合稳定性理论证明了姿态协同控制器设计与该框架下的一致性算法设计问题等价,从而将航天器编队姿态协同问题转化为与其非线性动力学无关的一致性算法设计问题,实现了姿态协同控制器设计过程中信息共享受限约束与节点动力学非线性约束的分离,可基于此框架并利用线性节点动力学模型重点研究信息共享拓扑及其约束对多航天器姿态协同控制的影响。分别将有/无领导者的一阶一致性算法代入此框架,得到了两个与传统设计方法所得结果一致的姿态协同控制算法,从而验证了所提出的一般性设计框架的有效性。多航天器编队系统的陀螺故障概率增加,同时受成本限制,难以也无需为编队中的每个成员航天器配备高精度陀螺。为此,提出了多种针对信息共享受限且无角速度反馈约束的多航天器编队姿态协同控制算法。首先,结合前馈和反馈控制策略,采用超前滤波设计了基于四元数的姿态输出反馈协同控制器,论证了闭环系统在参考姿态全局可知或信息拓扑为无向树时的全局渐近稳定特性,并使用La Salle不变集原理推导了其约简属性。而后,以无冗余的修正罗德里格斯参数(MRPs)为姿态描述工具,基于Euler-Lagrange系统给出了一个模型独立的动态输出反馈调节器,利用齐次理论和代数图论严格分析了其有限时间稳定特性,并在此基础上利用双曲正切函数提出了一个改进的幅值有界姿态协同控制器,以解决执行机构饱和问题。最后,利用数值仿真对前述控制器的有效性进行了验证。
【关键词】：多航天器编队飞行 协同控制 一致性 姿态协同 代数图论 网络化Euler-Lagrange系统
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 课题背景及研究的目的与意义12-13
• 1.1.1 课题来源12
• 1.1.2 课题研究的目的和意义12-13
• 1.2 国内外研究现状及分析13-24
• 1.2.1 多航天器深空编队飞行任务13-16
• 1.2.2 航天器编队协同控制策略16-18
• 1.2.3 多智能体一致性及其研究现状18-21
• 1.2.4 基于一致性的多航天器编队协同控制研究现状21-24
• 1.3 论文的主要研究内容24-26
• 第2章 多航天器协同控制基础理论26-43
• 2.1 引言26
• 2.2 代数图论26-30
• 2.2.1 图的基本概念26-29
• 2.2.2 图的矩阵描述29-30
• 2.3 稳定性理论30-34
• 2.3.1 微分方程的解及其稳定性30-31
• 2.3.2 Lyapunov稳定性理论31-34
• 2.3.3 La Salle不变集原理及Barbalat引理34
• 2.4 日-地/月系L2平动点航天器编队相对轨道运动方程34-38
• 2.4.1 圆形限制性三体问题34-36
• 2.4.2 日-地/月系L2平动点编队相对运动动力学模型36-38
• 2.5 航天器姿态运动38-41
• 2.5.1 姿态描述方式38-40
• 2.5.2 姿态运动学方程40
• 2.5.3 姿态动力学方程40-41
• 2.6 其它概念和结论41-42
• 2.7 本章小结42-43
• 第3章 信息受限条件下的分布式轨道协同控制方法43-81
• 3.1 引言43-44
• 3.2 基于两跳邻居信息共享的轨道协同控制算法44-66
• 3.2.1 控制器设计与稳定性分析45-49
• 3.2.2 对输入时延的鲁棒性分析49-52
• 3.2.3 对时变信息拓扑的鲁棒性分析52-54
• 3.2.4 仿真结果及分析54-66
• 3.3 基于最近邻信息共享的轨道协同控制算法66-79
• 3.3.1 控制器设计与稳定性分析67-71
• 3.3.2 仿真结果及分析71-79
• 3.4 本章小结79-81
• 第4章 面向有向通信拓扑的姿态状态反馈协同控制81-121
• 4.1 引言81-82
• 4.2 问题描述82-84
• 4.3 基于固定通信拓扑的自适应姿态协同控制84-95
• 4.3.1 控制器设计与稳定性分析84-87
• 4.3.2 对时变拓扑的鲁棒性分析87-90
• 4.3.3 仿真结果及分析90-95
• 4.4 基于切换通信拓扑的自适应姿态协同控制95-105
• 4.4.1 控制器设计与稳定性分析95-99
• 4.4.2 仿真结果与分析99-105
• 4.5 基于一般一致性算法的姿态协同控制器设计105-119
• 4.5.1 集合稳定性相关概念与有用引理106-108
• 4.5.2 基于一致性算法的通用姿态协同控制器设计方法108-115
• 4.5.3 基于一致性算法的姿态协同控制器设计实例115-119
• 4.6 本章小结119-121
• 第5章 面向无向拓扑的无角速度反馈姿态协同控制121-143
• 5.1 引言121-122
• 5.2 基于四元数的无角速度反馈姿态协同控制122-129
• 5.2.1 相对姿态运动及误差动力学方程122-123
• 5.2.2 控制器设计及稳定性分析123-127
• 5.2.3 仿真结果与分析127-129
• 5.3 基于MRPs的无角速度反馈姿态有限时间协同控制129-141
• 5.3.1 无限幅姿态协同控制器130-134
• 5.3.2 改进的有界姿态协同控制器134-137
• 5.3.3 仿真结果与分析137-141
• 5.4 本章小结141-143
• 结论143-146
• 参考文献146-159
• 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果159-161
• 致谢161-162
• 个人简历162

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 MIN Hai-Bo;LIU Zhi-Guo;LIU Yuan;WANG Shi-Cheng;YANG Yan-Li;;切换网络拓扑下Euler-Lagrange系统的分布式协调控制(英文)[J];自动化学报;2013年07期

2 高有涛;陆宇平;徐波;;基于角速度观测器的卫星编队飞行相对姿态控制技术[J];宇航学报;2010年07期

3 张博;罗建军;袁建平;;多航天器编队在轨自主协同控制研究[J];宇航学报;2010年01期

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1 靳尔东;航天器编队姿态协同控制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

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本文编号：721280