在軌服務(wù)航天器與失控目標(biāo)交會對接的相對位姿耦合控制.pdf

1、隨著自主在軌服務(wù)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用小型航天器對空間中失控的目標(biāo)航天器進(jìn)行在軌營救與維修,將會成為未來在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。在這一自主在軌服務(wù)任務(wù)中,需要服務(wù)航天器與失控目標(biāo)自主交會對接,之后,相應(yīng)的在軌服務(wù)操作才能展開,而與失控目標(biāo)自主交會對接的相對位置和姿態(tài)耦合控制問題,則是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。本論文針對應(yīng)用小衛(wèi)星作為在軌服務(wù)航天器對失控目標(biāo)進(jìn)行近距離操作的耦合控制問題,深入研究了服務(wù)航天器與失控目標(biāo)自主交會對接的相對位置和姿

2、態(tài)耦合控制算法。本論文主要包括以下內(nèi)容:
　　分析了失控目標(biāo)在空間中的運(yùn)動(dòng)情況,并針對失控目標(biāo)處于最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)情況(也是最普遍的運(yùn)動(dòng)情況),提出了一種在軌服務(wù)航天器與失控目標(biāo)自主交會對接的控制策略。根據(jù)失控目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的特性,將失控目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)分為無章動(dòng)運(yùn)動(dòng)和存在章動(dòng)運(yùn)動(dòng)兩種情況。并根據(jù)失控目標(biāo)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度矢量方向與對接端口方向之間的幾何位置關(guān)系,又將這兩種情況下的運(yùn)動(dòng)分別分為三類。其中,失控目標(biāo)的最復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況為存在章動(dòng)運(yùn)動(dòng),并

3、且其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度矢量方向與對接端口方向既不平行也不垂直。針對這種情況提出的控制策略可有效避免在軌服務(wù)航天器在逼近過程中與失控目標(biāo)的局部碰撞。
　　取相對位置和相對姿態(tài)四元數(shù)的矢部為系統(tǒng)狀態(tài),考慮推力器安裝所產(chǎn)生的相對位置和姿態(tài)耦合(即控制輸入耦合),建立了以系統(tǒng)狀態(tài)的二階形式描述的服務(wù)航天器對失控目標(biāo)的相對位置和姿態(tài)耦合動(dòng)力學(xué)模型。分析了相對位置和姿態(tài)耦合控制系統(tǒng)的控制目標(biāo),并根據(jù)相對位置的跟蹤指令分析了相對位置跟蹤耦合(即控制指令

4、耦合)。
　　針對在軌服務(wù)航天器與失控目標(biāo)自主交會對接的耦合控制問題,考慮未知有界干擾因素,提出了一種基于前饋-反饋的相對位置和姿態(tài)耦合控制算法。通過應(yīng)用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論證明了該基于前饋-反饋的相對位姿耦合控制算法對未知有界干擾具有魯棒性,并通過數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了此耦合控制算法的有效性與魯棒性。該基于前饋-反饋的相對位姿耦合控制算法機(jī)理簡單,易于實(shí)現(xiàn),可靠性高,但不足之處是沒有從理論上證明其對系統(tǒng)不確定性的魯棒性。
　　為了

5、增強(qiáng)耦合控制系統(tǒng)的魯棒性,考慮未知有界干擾、系統(tǒng)不確定性和測量噪聲的因素,提出了三種基于滑模的相對位置和姿態(tài)耦合控制算法。分析了滑模面的收斂特性,并通過數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了這三種滑模耦合控制算法的有效性與魯棒性。與基于前饋-反饋的相對位姿耦合控制算法相比,這三種滑模耦合控制算法都具有更好的控制精度和魯棒性。其中,傳統(tǒng)滑模耦合控制算法的相對距離和位置的過渡過程中有一次小幅值振蕩,而雙滑模耦合控制算法不僅具有較高的控制精度,而且還具有較好的過渡過

6、程。
　　為了使耦合控制系統(tǒng)具有更好的控制性能,考慮未知有界干擾、系統(tǒng)不確定性和測量噪聲的因素,提出了一種基于復(fù)合控制的相對位置和姿態(tài)耦合控制算法。分析了積分滑模在存在控制飽和與測量噪聲時(shí)的特性,并通過數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了該復(fù)合耦合控制算法的有效性與魯棒性。該復(fù)合耦合控制算法在具有較好的控制精度與魯棒性的同時(shí),也具有很平穩(wěn)的過渡過程。
　　為使耦合控制系統(tǒng)在具有魯棒性的同時(shí)也具有一定的最優(yōu)性,考慮未知有界干擾、系統(tǒng)不確定性和測量噪