在軌服務(wù)航天器與失控目標(biāo)交會(huì)對(duì)接的相對(duì)位姿耦合控制.pdf

1、隨著自主在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用小型航天器對(duì)空間中失控的目標(biāo)航天器進(jìn)行在軌營(yíng)救與維修,將會(huì)成為未來(lái)在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。在這一自主在軌服務(wù)任務(wù)中,需要服務(wù)航天器與失控目標(biāo)自主交會(huì)對(duì)接,之后,相應(yīng)的在軌服務(wù)操作才能展開(kāi),而與失控目標(biāo)自主交會(huì)對(duì)接的相對(duì)位置和姿態(tài)耦合控制問(wèn)題,則是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。本論文針對(duì)應(yīng)用小衛(wèi)星作為在軌服務(wù)航天器對(duì)失控目標(biāo)進(jìn)行近距離操作的耦合控制問(wèn)題,深入研究了服務(wù)航天器與失控目標(biāo)自主交會(huì)對(duì)接的相對(duì)位置和姿

2、態(tài)耦合控制算法。本論文主要包括以下內(nèi)容:
　　分析了失控目標(biāo)在空間中的運(yùn)動(dòng)情況,并針對(duì)失控目標(biāo)處于最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)情況(也是最普遍的運(yùn)動(dòng)情況),提出了一種在軌服務(wù)航天器與失控目標(biāo)自主交會(huì)對(duì)接的控制策略。根據(jù)失控目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的特性,將失控目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)分為無(wú)章動(dòng)運(yùn)動(dòng)和存在章動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩種情況。并根據(jù)失控目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度矢量方向與對(duì)接端口方向之間的幾何位置關(guān)系,又將這兩種情況下的運(yùn)動(dòng)分別分為三類。其中,失控目標(biāo)的最復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況為存在章動(dòng)運(yùn)動(dòng),并

3、且其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度矢量方向與對(duì)接端口方向既不平行也不垂直。針對(duì)這種情況提出的控制策略可有效避免在軌服務(wù)航天器在逼近過(guò)程中與失控目標(biāo)的局部碰撞。
　　取相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)四元數(shù)的矢部為系統(tǒng)狀態(tài),考慮推力器安裝所產(chǎn)生的相對(duì)位置和姿態(tài)耦合(即控制輸入耦合),建立了以系統(tǒng)狀態(tài)的二階形式描述的服務(wù)航天器對(duì)失控目標(biāo)的相對(duì)位置和姿態(tài)耦合動(dòng)力學(xué)模型。分析了相對(duì)位置和姿態(tài)耦合控制系統(tǒng)的控制目標(biāo),并根據(jù)相對(duì)位置的跟蹤指令分析了相對(duì)位置跟蹤耦合(即控制指令

4、耦合)。
　　針對(duì)在軌服務(wù)航天器與失控目標(biāo)自主交會(huì)對(duì)接的耦合控制問(wèn)題,考慮未知有界干擾因素,提出了一種基于前饋-反饋的相對(duì)位置和姿態(tài)耦合控制算法。通過(guò)應(yīng)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論證明了該基于前饋-反饋的相對(duì)位姿耦合控制算法對(duì)未知有界干擾具有魯棒性,并通過(guò)數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了此耦合控制算法的有效性與魯棒性。該基于前饋-反饋的相對(duì)位姿耦合控制算法機(jī)理簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),可靠性高,但不足之處是沒(méi)有從理論上證明其對(duì)系統(tǒng)不確定性的魯棒性。
　　為了

5、增強(qiáng)耦合控制系統(tǒng)的魯棒性,考慮未知有界干擾、系統(tǒng)不確定性和測(cè)量噪聲的因素,提出了三種基于滑模的相對(duì)位置和姿態(tài)耦合控制算法。分析了滑模面的收斂特性,并通過(guò)數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了這三種滑模耦合控制算法的有效性與魯棒性。與基于前饋-反饋的相對(duì)位姿耦合控制算法相比,這三種滑模耦合控制算法都具有更好的控制精度和魯棒性。其中,傳統(tǒng)滑模耦合控制算法的相對(duì)距離和位置的過(guò)渡過(guò)程中有一次小幅值振蕩,而雙滑模耦合控制算法不僅具有較高的控制精度,而且還具有較好的過(guò)渡過(guò)

6、程。
　　為了使耦合控制系統(tǒng)具有更好的控制性能,考慮未知有界干擾、系統(tǒng)不確定性和測(cè)量噪聲的因素,提出了一種基于復(fù)合控制的相對(duì)位置和姿態(tài)耦合控制算法。分析了積分滑模在存在控制飽和與測(cè)量噪聲時(shí)的特性,并通過(guò)數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了該復(fù)合耦合控制算法的有效性與魯棒性。該復(fù)合耦合控制算法在具有較好的控制精度與魯棒性的同時(shí),也具有很平穩(wěn)的過(guò)渡過(guò)程。
　　為使耦合控制系統(tǒng)在具有魯棒性的同時(shí)也具有一定的最優(yōu)性,考慮未知有界干擾、系統(tǒng)不確定性和測(cè)量噪