对在轨失控目标的位姿耦合跟踪控制

发布时间：2017-09-16 18:22

  本文关键词：对在轨失控目标的位姿耦合跟踪控制

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【摘要】：在近场操作中服务航天器与失控目标的相对轨道运动和相对姿态运动存在耦合现象,传统的控制模型已经不能满足日益复杂的航天任务。本文以服务航天器对空间失控目标进行自主交会与近场操作任务为背景,建立了基于对偶四元数的空间相对运动位姿耦合动力学模型,并且在此基础上设计了耦合跟踪控制器,实现了高精度控制。首先对旋量理论、四元数和对偶四元数等数学工具进行了介绍,为后文中的动力学建模以及耦合控制器的设计提供了方法。随后还介绍了Lyapunov稳定性理论和模型参考自适应控制系统,为耦合控制器稳定性的证明提供了理论依据。针对任务背景建立了坐标系系统,包括惯性坐标系和服务航天器与目标航天器的本体坐标系。基于对偶四元数,建立了刚体的耦合动力学模型和航天器相对运动的位姿耦合动力学模型。设计了广义PD控制器,并证明了其稳定性。通过数值仿真验证了模型的准确性与控制的高精度,对比了位姿耦合动力学模型与传统姿轨分开控制模型的,发现位姿耦合动力学模型不但具有更好的控制效果,而且具有更节省燃料的优点。考虑到在实际任务中可能出现的服务航天器质量特性不确定的情况,设计了对质量特性参数具有适应能力的模型参考自适应控制器。通过数值仿真,发现相较于非自适应的控制器,该自适应控制器具有对不确定性的较高的适应能力与控制精度。分析参数的估计值时发现其与实际的参数值有一定的误差,因此设计了带遗忘因子的递推最小二乘算法,在服务航天器的机动过程中对质量特性进行了在轨辨识,辨识精度在95%以上。
【关键词】：自主交会 位姿耦合 对偶四元数 质量特性不确定 在轨辨识
【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】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题背景及研究目的和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状及分析9-14
• 1.2.1 自主交会与近场操作9-11
• 1.2.2 航天器相对位姿耦合动力学与控制11-14
• 1.2.3 航天器质量特性在轨估计与辨识14
• 1.3 主要研究内容14-16
• 第2章 基础理论16-35
• 2.1 引言16
• 2.2 旋量理论基础16-22
• 2.2.1 线矢量16-18
• 2.2.2 旋量及其位移转换法则18-20
• 2.2.3 刚体上任意点的速度旋量20-21
• 2.2.4 作用在刚体上的力旋量21-22
• 2.3 四元数22-24
• 2.3.1 四元数的定义22-23
• 2.3.2 四元数的性质23-24
• 2.4 对偶四元数24-28
• 2.4.1 对偶四元数的定义24-27
• 2.4.2 对偶四元数的性质27-28
• 2.5 Lyapunov稳定性理论28-29
• 2.6 模型参考自适应系统29-34
• 2.6.1 自适应控制介绍29-30
• 2.6.2 模型参考自适应系统原理30-31
• 2.6.3 局部参数最优化设计方法31-33
• 2.6.4 基于Lyapunov稳定性理论的MRAC设计方法33-34
• 2.7 本章小结34-35
• 第3章 相对位姿耦合动力学建模与PD控制器设计35-55
• 3.1 引言35
• 3.2 牛顿-欧拉动力学方程的对偶形式35-38
• 3.3 航天器相对运动位姿耦合动力学模型38-41
• 3.4 广义PD控制律设计41-44
• 3.4.1 PD控制律设计41-43
• 3.4.2 PD控制律稳定性分析43-44
• 3.5 PD控制数值仿真44-54
• 3.5.1 仿真条件设置44-47
• 3.5.2 仿真结果分析47-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第4章 质量特性不确定情况下的自适应跟踪控制55-73
• 4.1 引言55
• 4.2 模型参考自适应控制律设计55-57
• 4.3 自适应控制律稳定性分析57-59
• 4.4 自适应控制数值仿真59-66
• 4.5 航天器质量特性在轨辨识66-71
• 4.5.1 位姿耦合的辨识模型66-68
• 4.5.2 遗忘因子递推最小二乘法68-70
• 4.5.3 在轨辨识结果分析70-71
• 4.6 本章小结71-73
• 结论73-74
• 参考文献74-80
• 致谢80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 吴云华;曹喜滨;张世杰;邢艳军;郑鹏飞;;编队卫星相对轨道与姿态一体化耦合控制[J];南京航空航天大学学报;2010年01期

2 黄文虎;曹登庆;韩增尧;;航天器动力学与控制的研究进展与展望[J];力学进展;2012年04期

3 梁斌;徐文福;李成;刘宇;;地球静止轨道在轨服务技术研究现状与发展趋势[J];宇航学报;2010年01期

4 王剑颖;梁海朝;孙兆伟;;基于对偶数的相对耦合动力学与控制[J];宇航学报;2010年07期

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1 王峰;在轨服务航天器对目标逼近过程动力学与控制研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

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本文编号：864688