空天飞行器的姿态控制及欠驱动控制研究

【摘要】：空天飞行器(ASV)是各国目前大力发展的新型航空航天飞行器,对其姿态系统的控制具有重要意义。ASV姿态系统是非线性、强耦合及多输入多输出的系统,且飞行环境复杂,通常要受各种干扰因素的影响,因此ASV姿态控制系统设计成为一项极具挑战的研究课题。围绕这一问题,本文在空天飞行器建模、姿态运动控制器设计以及欠驱动状态下控制系统的设计三个方面进行了较为深入的研究。 首先,对ASV进行了受力分析,给出了ASV的质心运动动力学方程和绕质心转动的动力学方程,以及作用于在ASV上的外力矩表达式,得到ASV的数学模型,并将其写成了三通道的具体形式,对后面的控制器设计奠定了模型基础。 其次,针对ASV姿态系统的非线性、强耦合和不确定性,提出了一种全局快速终端滑模控制方法。文中先基于反馈线性化方法将ASV姿态系统解耦成三个独立的子系统；然后应用全局快速终端滑模控制方法分别设计了各子系统的姿态控制器；最后,通过仿真验证了方法的有效性,同时在外加干扰的情况下,系统仍能够保持稳定,说明该方法对干扰确实具有鲁棒性。 最后,针对两个飞轮的欠驱动刚性航天器,研究了姿态控制问题。在零动量的假设下,利用Backstepping滑模控制方法,为基于(w,z)参数描述的欠驱动姿态控制系统设计了一个新型的姿态控制器。通过仿真验证了方法的有效性和鲁棒性。