复杂约束下的航器姿态机动规划与控制.pdf

Classified Index: V448.2 U.D.C: 629.78 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering ATTITUDE MANEUVER PLANNING AND CONTROL OF SPACECRAFT UNDER COMPLEX CONSTRAINTS Candidate ： Cheng Xiaojun Supervisor： Prof. Cui Hutao Academic Degree Applied for ： Doctor of Engineering Speciality： Aerospace Science and Technology Affiliation ： Deep Space Exploration Research Center Date of Defence ： July, 2012 Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology 摘 要 摘 要 航天器在轨运行期间，其姿态的控制面临着多种约束。这些约束主要包括两 个方面，一是控制输入受限，二是状态空间受限。在姿态的控制系统设计中，必 须要对这些约束进行考虑，才能从稳定性和安全性的角度保证系统的正常工作。 本文对复杂约束下的航天器姿态机动控制问题进行深入研究，研究内容主要包括 以下几个方面： 对控制输入幅值受限的航天器姿态机动控制问题进行了研究。首先针对无干 扰下的输入饱和控制问题，设计时变滑模面，结合李雅普诺夫稳定性理论，给出 了一种抗饱和滑模控制算法。然后利用时变滑模控制算法在抗输入饱和上的优势 和时不变滑模控制算法在抗干扰上的优势，通过两种算法的切换控制来有效解决 有界干扰下的输入饱和姿态机动控制问题。最后针对四元数双值性带来的姿态运 动退绕（unwinding ）问题，设计了一种新的姿态偏差向量。基于该偏差向量提出 了能同时抗输入饱和、抗有界干扰和抗退绕的滑模控制算法。 对非零初始整星角动量下两飞轮驱动航天器姿态机动控制问题进行了研究。 针对在两飞轮旋转轴平面外某一视线轴的指向控制，给出了姿态制导算法和一种 抗输入饱和的视线轴指向变结构控制算法。首先，通过对两飞轮驱动航天器静止 时的可行姿态进行分析，给出了视线轴指向目标方向的必要条件。基于该条件设 计了可以使视线轴在两飞轮驱动控制下与 目标方向偏差最小的姿态制导算法。然 后对状态方程降维和线性化处理，给出了一种抗输入饱和的视线轴指向变结构控 制算法。 对空间指向约束下的航天器姿态机动控制问题进行了研究。首先对单个视线 轴的运动空间进行合理的平面映射，将视线轴旋转控制问题转化成了平面上质点 的运动控制问题，通过构建质点运动的导航函数来间接引导视线轴的运动，从而 设计出单视线轴受多指向约束的姿态机动控制算法。然后针对受空间指向约束的 完整三轴姿态控制问题，给出了指向规避势能函数；利用该势能函数得到航天器 的期望角速度，以此角速度作为参考系统的输入；并利用指令滤波技术和退步控 制方法设计了输入饱和跟踪控制算法来跟踪参考系统的状态，从而解决了航天器 的多视线轴受多指向约束的控制问题。另外，设计了一种姿态机动路径规划算 法，以快速有哪些信誉好的足球投注网站随机树作为满足空间指向约束的全局扩展算法，而滑模控制作为 满足输入饱和约束的局部扩展算法。 对混合多约束下的航天器姿态控制问题进行了研究。首先，基于空间指向约 束凸化映射表达式给出了一种预测控制算法。然后通过对航天器姿态离散状态方 - I -