基于二階滑模算法的航天器相對(duì)位姿耦合控制研究.pdf

1、隨著空間探索任務(wù)取得重大成功，自主在軌服務(wù)技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。就成本效應(yīng)而言，對(duì)受損衛(wèi)星進(jìn)行在軌維修具有潛在的節(jié)約效益。因此，對(duì)目標(biāo)航天器進(jìn)行在軌維修、裝配、升級(jí)等具有重大意義。未來(lái)在軌服務(wù)任務(wù)需要航天器能夠自主執(zhí)行交會(huì)對(duì)接操作，甚至涉及對(duì)自由翻滾的失控航天器進(jìn)行在軌服務(wù)。于是，與失控目標(biāo)進(jìn)行自主交會(huì)對(duì)接控制成為必需解決的關(guān)鍵技術(shù)。本文主要研究了與自由翻滾目標(biāo)航天器進(jìn)行自主交會(huì)對(duì)接過(guò)程的相對(duì)位姿耦合控制算法，深入討論了基于二階滑模算法的

2、航天器對(duì)接端口間相對(duì)位姿耦合控制器設(shè)計(jì)方法。針對(duì)各控制器對(duì)不確定性和有界干擾的魯棒性、有限時(shí)間收斂特性以及抑制執(zhí)行機(jī)構(gòu)震顫效應(yīng)的能力進(jìn)行分析與驗(yàn)證。主要包括以下內(nèi)容：
　　分析航天器對(duì)接端口間相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，總結(jié)出三種可行位置關(guān)系端口間的交會(huì)對(duì)接方式。以此為基礎(chǔ)，考慮航天器相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)相對(duì)平移運(yùn)動(dòng)的耦合影響，建立航天器對(duì)接端口間相對(duì)位姿耦合動(dòng)力學(xué)模型。分析出所建相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型中各耦合項(xiàng)來(lái)源：航天器所受干擾力矩產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)耦合；相對(duì)姿

3、態(tài)四元數(shù)、相對(duì)姿態(tài)角速度與服務(wù)航天器絕對(duì)姿態(tài)角速度產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)學(xué)耦合。通過(guò)數(shù)學(xué)仿真，在開(kāi)環(huán)無(wú)控制情況下驗(yàn)證各耦合項(xiàng)對(duì)相對(duì)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響效果。利用MATLAB與STK接口程序?qū)崿F(xiàn)交會(huì)對(duì)接控制的可視化設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證三種對(duì)接方式的可行性、安全性和可靠性。
　　為改善標(biāo)準(zhǔn) Twisting滑模算法的控制特性，以二階滑模平面設(shè)計(jì)改進(jìn)的Twisting控制器。利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論分析其有限時(shí)間收斂特性，并給出計(jì)算收斂時(shí)間上界的方法。通過(guò)數(shù)

4、學(xué)仿真，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)改進(jìn) Twisting算法的控制特性。針對(duì)二階滑模算法對(duì)距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)有界干擾魯棒性較弱的問(wèn)題，以兩種形式滑模平面分別設(shè)計(jì)含線性補(bǔ)償項(xiàng)的改進(jìn) Twisting控制器。選取新的李雅普諾夫函數(shù)證明其有限時(shí)間收斂特性，同時(shí)得到收斂時(shí)間的上界。通過(guò)數(shù)學(xué)仿真，驗(yàn)證其抑制距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)有界干擾的魯棒性；計(jì)算穩(wěn)態(tài)階段控制力與力矩絕對(duì)值沖量累積和來(lái)檢驗(yàn)其減弱執(zhí)行機(jī)構(gòu)抖顫的效果。
　　利用Super Twisting(ST)控制算法無(wú)

5、需計(jì)算滑模變量對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)航天器對(duì)接端口間相對(duì)位姿耦合的ST控制器?；诶钛牌罩Z夫方法分析其有限時(shí)間收斂的特性，并計(jì)算收斂時(shí)間上界。通過(guò)數(shù)學(xué)仿真，驗(yàn)證 ST控制器的收斂特性以及對(duì)模型不確定性和距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)有界干擾的魯棒性。類似地，將 ST算法與線性控制相結(jié)合來(lái)提高系統(tǒng)對(duì)距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)有界干擾的魯棒性。選取新的李雅普諾夫函數(shù)證明改進(jìn) ST控制器仍然可以在有限時(shí)間內(nèi)收斂到平衡點(diǎn)，并計(jì)算出收斂時(shí)間上界。通過(guò)對(duì)比仿真，驗(yàn)證閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)

6、不確定性及不同形式有界干擾作用的魯棒性，同時(shí)利用穩(wěn)態(tài)時(shí)控制力與力矩的絕對(duì)值沖量累積和檢驗(yàn)其抑制執(zhí)行機(jī)構(gòu)震顫作用的能力。
　　為了進(jìn)一步提高二階滑?？刂破鲗?duì)距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)有界干擾的魯棒性，利用自適應(yīng)思想動(dòng)態(tài)計(jì)算控制器的增益矩陣。針對(duì)已知上界有界干擾與未知上界有界干擾兩種情況，考慮模型參數(shù)不確定性以及相對(duì)導(dǎo)航誤差等因素，分別設(shè)計(jì)基于自適應(yīng) ST算法的航天器對(duì)接端口間相對(duì)位姿耦合控制器(記作 AST1與AST2)。利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論