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空间目标抓捕后欠驱动组合体姿态稳定控制

陈诗瑜  
【摘要】:在进行空间碎片主动清除、废弃卫星回收、零部件拆卸和替换等操作时,待处理对象通常失去了自身控制的能力,甚至不存在控制系统。对这类目标进行抓捕后,由主动航天器上的执行机构接管组合体的姿态稳定控制是一种直接且有效的方法。要实现组合体的姿态稳定,执行机构通常需要提供不少于三轴的控制输入。然而在长时间的空间任务中,主动航天器上的执行机构可能出现失效的情况,从而导致系统无法提供独立的三轴姿态控制输入力矩。这种执行机构不是完整配置的情况称为欠驱动。出于对任务安全的考虑和执行机构容错性的要求,有必要研究欠驱动状态下的组合体姿态稳定控制问题。除了因执行机构失效造成的欠驱动状态,在空间操作过程中,为了降低主动航天器的发射成本,也可以通过较少的控制执行机构实现系统的稳定控制。考虑到上述执行机构失效的可能性和对航天器成本的节约,有必要研究欠驱动这一极端状态下的组合体姿态稳定控制问题,进而为设计合适的执行机构配置提供理论支撑。欠驱动组合体姿态稳定控制的关键问题包括:(1)如何建立能够反映欠驱动组合体姿态耦合的动力学模型。(2)干扰处理与控制。由于欠驱动轴上的干扰力矩分量只能通过受控轴运动进行补偿,而组合体模型中复杂耦合的存在又增加了控制设计难度。因此,需要研究欠驱动轴干扰力矩的处理方法和干扰作用下的姿态稳定控制律设计;(3)复杂耦合处理和参数不确定控制。考虑欠驱动组合体质量特性参数不确定性时,由于其中的复杂耦合项中同时包含不确定项和状态变量,因此无法直接进行控制律设计。因此,需要研究能将不确定项剥离解耦的方法和参数不确定下的欠驱动控制问题;(4)欠驱动轴稳定控制。当欠驱动轴角速度不为零时,根据欠驱动控制的特性,需先稳定欠驱动轴运动,后稳定受控轴运动。由于组合体动力学模型中的运动参数耦合严重,因此,需要设计复杂耦合下具有更高控制效率的欠驱动轴稳定控制律;(5)应用地面实验平台对所提出的方法进行有效性验证。需要选择能最大程度模拟空间环境,且适用于组合体运动的实验平台并进行实验。本文针对上述关键问题,对空间目标抓捕后欠驱动组合体姿态稳定控制进行了研究。论文的主要研究内容和研究成果如下:(1)研究了空间目标抓捕后欠驱动组合体建模问题。首先,为了去除欠驱动情况下的姿态参数冗余,并直观描述控制目的,引入了复平面中的参数。进一步考虑组合体的轨道特性,提出并推导了基于参数的扩展姿态运动学。此外,为了精确体现欠驱动情况下组合体姿态动力学的耦合情况,并消除欠驱动冗余式,提出了包含惯量积的转动惯量分块矩阵概念,进而推导了耦合降阶的欠驱动组合体姿态动力学模型。最后考虑组合体质量惯量偏差,推导得到质量特性参数不确定的欠驱动姿态动力学模型。本文新建立的模型充分体现了欠驱动和组合体的特性,为全文理论分析与控制设计提供了基础。(2)研究了扩展姿态运动学下的欠驱动组合体部分稳定控制问题。针对扩展姿态运动学和欠驱动组合体模型,设计了基于反馈的姿态部分稳定控制律,实现了姿态参数的稳定和组合体绕欠驱动轴的匀速旋转,并避免了系统的周期性振荡。针对外部干扰,提出了一种复合干扰观测器对欠驱动轴和受控轴所受的干扰分量进行观测,解决了级联特性下欠驱动轴干扰的处理问题。最后基于复合干扰观测器设计了欠驱动控制律,实现了对干扰作用下欠驱动系统的姿态稳定控制。(3)研究了耦合不确定条件下的欠驱动组合体姿态部分稳定控制问题。针对欠驱动轴和受控轴在欠驱动情况下特有的复杂耦合项,定义若干线性算子,提出一种双重线性变换策略,解决了耦合不确定项的解耦和代换问题,实现了不确定参数和状态变量的多重解耦。然后设计了一种参数自适应的滑模控制律。该控制律中的滑模参数随时间变化,具有良好的鲁棒性和自适应性。实现了组合体在耦合不确定下的姿态部分稳定,通过与已有方法的对比显示,所提方法具有更快的收敛速度和更高的控制精度。(4)研究了欠驱动组合体有限时间全状态稳定控制问题。针对欠驱动组合体模型中运动学部分的控制奇异和控制量幅值过大问题,并考虑非零欠驱动轴角速度,设计了一种改进的奇异规避运动学控制律,实现了姿态初值在奇异集附近的组合体姿态运动学稳定,并有效抑制了控制输出。将欠驱动组合体动力学控制转化为角速度跟踪问题,并设计了组合体姿态的自适应跟踪控制律。实现了角速度跟踪误差的收敛和参数的估计。以上述研究为基础,设计了组合体全状态稳定控制律,实现了组合体三轴姿态和角速度的稳定,并证明了欠驱动轴角速度的有限时间收敛。(5)通过研究液磁混合悬浮地面微重力模拟环境中组合实验体姿态运动,对所提出的稳定控制律进行了验证。根据对地面实验平台的空间环境模拟要求和组合体运动控制要求,选择液磁混合悬浮地面微重力模拟平台进行实验。基于水下复杂干扰下的组合实验体姿态动力学模型,对提出的全状态稳定控制律进行了仿真,实现了对组合实验体姿态角和角速度的稳定,验证了所提的全状态稳定控制方法在水下复杂环境中的有效性。最后将实验结果与仿真结果进行了对比,进一步验证了本研究提出的控制方法的可用性。


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