多航天器编队姿态协同控制算法研究

发布时间：2019-09-19 13:03

【摘要】：多航天器编队是指由多个航天器依照特定的任务要求,通过协作完成共同目标的新型工作模式。多航天器编队飞行系统可以利用相互信息的传递,达到各航天器协同工作的目的,从而完成传统的单个航天器难以实现的空间探测目标。近年来,多航天器编队在宇宙探索和军事国防等领域发挥了至关重要的作用。姿态协同控制作为多航天器编队在轨运行的基本操作之一,也是执行任务的必要前提,其研究意义和对航天领域的工程价值不言而喻。多智能体系统和一致性理论的兴起为多航天器编队协同控制方法研究奠定了基础。同时,单个航天器控制算法日新月异的发展也促使了多航天器协同控制研究的不断深入。本论文总结和分析现有成果,针对面临通信时滞或个体之间存在通信限制的多航天器编队,充分考虑了模型参数不确定性、空间环境干扰、反馈信息缺失、执行机构输出力矩饱和等问题,设计了具有较强鲁棒性并且能够快速响应的姿态协同控制算法。基于上述分析,将本文的工作和各章节研究内容概括如下:作为后续章节的基础,介绍了多航天器编队的姿态运动学与动力学模型、代数图论的基础知识、Lyapunov稳定性理论和有限时间稳定性的相关定义及引理。在无向通信拓扑下,研究了无领航者的多航天器姿态一致性协同控制算法。首先基于齐次系统理论,设计了姿态和角速度均可测量条件下的全状态反馈有限时间姿态协同控制器,保证编队各航天器的姿态快速收敛一致且最终角速度均为零。而后,考虑个体航天器角速度信息缺失情况,根据姿态的测量值提出了带有幂次项的滤波器及输出反馈有限时间姿态协同控制算法。同时,通过在控制器中引入双曲正切函数限制了力矩幅值,完成无需角速度的输入饱和有限时间姿态协同算法。工程中,存在领航者为多航天器编队提供参考状态的协同控制具有更普遍实用的意义,因此进一步研究了有领航者的有限时间姿态协同控制问题。针对领航者为静态情况,通过个体航天器及邻居航天器的姿态四元数构造了分布式有限时间观测器,补偿了无法测量的角速度信息,以便于后续完成姿态协同控制算法。针对领航者为动态情况,提出了基于有限时间观测器的姿态协同跟踪控制策略。在无需领航者角速度、航天器自身角速度以及仅有部分成员获取参考姿态的假设下,设计了分布式有限时间观测器。基于此,利用观测器输出的角速度误差估计信息,通过加幂积分技术和自适应方法给出了带有输入饱和的有限时间姿态跟踪算法。另外,采用Lyapunov方法完善的证明了分布式观测器-控制器作用下闭环系统的有限时间稳定性。除了满足编队飞行系统稳定性和鲁棒性的要求,实际的空间任务需要编队中航天器姿态的协同运动。通信时滞对系统的协同性存在不利影响,因此研究了带有常值通信时滞的多航天器编队姿态协同跟踪控制问题。在有向通信拓扑中,采用航天器姿态误差四元数和角速度误差构造滑模面,提出了能够解决通信时滞和外部干扰的时滞相关姿态协同控制器。并且,通过Lyapunov-Krasovskii泛函方法证明了闭环系统稳定性。由于传统滑模控制中容易产生抖振现象,为了进一步提高系统性能而设计了带有边界层的积分滑模控制算法。首先,不考虑多航天器编队所受外部干扰力矩,同样在有向通信拓扑条件下提出了标称控制器。而后,设计积分滑模面并采用自适应控制和边界层方法抑制了外部干扰力矩的作用,也有效削弱了系统状态经滑模面所引起的抖振。在前文工作的基础上,研究了存在时变通信时滞的多航天器编队姿态协同跟踪问题。首先,采用滑模控制和自适应控制方法克服了转动惯量参数不确定性,设计了多航天器姿态协同跟踪控制器。不仅处理了时变通信时滞对系统的影响,而且保证了系统从输入到输出满足2(43)增益性能指标。接下来,针对存在执行机构输出力矩饱和限制的多航天器编队,结合反步法思想与滤波器对超出力矩幅值上界的控制量进行补偿。借助Chebyshev神经网络对系统不确定性和干扰的学习估计能力,完成了带有输入饱和的分布式时滞相关姿态协同跟踪控制算法。并且,该算法对于编队航天器之间的通信拓扑结构没有特殊要求,只需控制参数满足闭环系统稳定的条件,即可保证各航天器姿态和角速度协同跟踪参考状态。
【图文】：

多航天器编队姿态协同控制算法研究

StellerImager计划Fig.1-1StellerImagerProject

多航天器编队姿态协同控制算法研究

LISA计划Fig.1-2LISAProject
【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】：2017
【分类号】：V448.22

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