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基于终端滑模的航天器姿态跟踪及协同控制

司玉洁  
【摘要】:随着航天事业的高速发展,中国在航天器的控制技术上投入的精力也越来越大。而在该领域中姿态控制越来越受到人们的关注,因为对空间中在轨飞行的航天器来说,会受到各种各样的干扰力矩,这些干扰力矩会影响跟踪精度,因此设计性能良好的控制器是该领域的重中之重。随着科技发展,很多情况下单颗航天器并不能达到预期的任务,因此航天器编队技术得到了快速发展。航天器编队飞行适用于很多太空任务,例如地球及大气的检测、地面测量、深空成像和探测、航天器的在轨维修和维护等。航天器编队飞行的概念就是用一群较小、成本较低以及协同合作的航天器代替一个大的航天器,其优势在于航天器编队飞行的灵活性和模块化。本文针对这方面主要做了以下几个方面研究。 首先,对于航天器的运动模型,给出了欧拉角,四元数,旋转矩阵法的具体描述,以及一些性质和推导,因为本文主要研究的是姿态跟踪问题,并且本文通篇采用的是四元数描述法,在上面给出的模型的基础上推导出了姿态跟踪模型。在第二章最后一部分推导出了航天器编队飞行问题的四元数表示法。 其次,本文是基于终端滑模理论设计终端滑模面,然后设计单颗卫星的姿态跟踪控制器,但是,涉及到终端滑模我们不得不考虑奇异的问题,因此在此基础上又设计了非奇异终端滑模,最后进行了仿真实验。 然后,在前面的研究基础上,又考虑了转动惯量J存在的不确定性,因此本章在第三章的基础之上采用了自适应的方法,对J进行了处理,这部分采用Lyapunov直接法进行了证明,得到了有限时间收敛的严格证明,最后进行了仿真实验。 最后,在单颗星问题的研究基础上,第五章研究设计了编队卫星的姿态协同控制律,选择了终端滑模控制器设计方法。最后进行了仿真实验。


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