航天器近距離操作自主防撞控制方法研究.pdf

1、隨著航天器近距離操作任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)其快速性、自主性及可靠性要求越來(lái)越高，航天器近距離操作過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)與控制研究面臨更大挑戰(zhàn)。論文以航天器近距離操作過(guò)程中的防撞控制問(wèn)題為背景，在近距離相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)、碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及非線性控制方法研究基礎(chǔ)上，建立了一套近距離操作動(dòng)態(tài)智能防撞控制方法，并應(yīng)用于集群航天器近距離操作防撞控制和在軌服務(wù)交會(huì)段自主防撞控制兩類(lèi)典型任務(wù)。
　　在理論研究方面：
　　研究了近距離相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型。

2、采用控制對(duì)象體坐標(biāo)系為參考系，建立了對(duì)偶四元數(shù)描述的耦合相對(duì)動(dòng)力學(xué)模型，解析證明了該模型理論上與傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程的一致性。仿真分析了對(duì)偶四元數(shù)描述與傳統(tǒng)描述下的耦合相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型的狀態(tài)預(yù)報(bào)精度，結(jié)果表明短時(shí)間內(nèi)采用基于對(duì)偶四元數(shù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算相對(duì)狀態(tài)是可行的。在此基礎(chǔ)上，建立了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的誤差模型并將其線性化，將航天器近距離機(jī)動(dòng)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為追蹤控制問(wèn)題。
　　研究了近距離飛行碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。分析了航天器碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要內(nèi)容及一般

3、過(guò)程，討論了最小交會(huì)距離及碰撞概率兩類(lèi)常用評(píng)估方法的模型適用性。提出了動(dòng)態(tài)安全域的定義和基于系統(tǒng)性能參數(shù)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估“3C”模型，采用評(píng)估指標(biāo)遞階式的方法對(duì)航天器進(jìn)行碰撞風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)，仿真結(jié)果表明“3C”模型能有效降低虛警率。
　　研究了動(dòng)態(tài)增益調(diào)度控制方法。推導(dǎo)了動(dòng)態(tài)增益調(diào)度方法的顯式表達(dá)并擴(kuò)展用于一般多輸入非線性系統(tǒng)，證明了全狀態(tài)反饋時(shí)動(dòng)態(tài)增益調(diào)度與非線性動(dòng)態(tài)逆的一致性。針對(duì)某些實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)很難給出解析表達(dá)式的情形，推導(dǎo)了基于數(shù)

4、值計(jì)算的多輸入動(dòng)態(tài)增益調(diào)度控制律，并用F16戰(zhàn)斗機(jī)及空間機(jī)械臂兩個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)增益調(diào)度方法對(duì)于非線性系統(tǒng)控制的有效性。
　　提出了動(dòng)態(tài)智能防撞控制方法。闡述由跟蹤控制、碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和避撞控制組成的動(dòng)態(tài)智能防撞控制算法及其各部分的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。除動(dòng)態(tài)增益調(diào)度控制方法外，還提出了基于自動(dòng)微分法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PD控制方法用于跟蹤控制，自動(dòng)微分法的引入用于解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中梯度求解不精確的問(wèn)題，數(shù)值仿真表明該方法用于跟蹤控制的有效性。在分析

5、影響避撞控制因素的基礎(chǔ)上提出了動(dòng)態(tài)類(lèi)爬墻法，避開(kāi)了目標(biāo)不可達(dá)。一旦陷入局部最小點(diǎn)，在航天器可達(dá)范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化選擇，確保動(dòng)態(tài)智能防撞控制算法的可行性。將動(dòng)態(tài)智能防撞控制算法與加強(qiáng)LQR/APF控制算法進(jìn)行仿真比較，結(jié)果表明動(dòng)態(tài)智能防撞控制算法對(duì)于單模塊或雙模塊防撞機(jī)動(dòng)控制的有效性、穩(wěn)定性與魯棒性。
　　在應(yīng)用研究方面：
　　以集群航天器為對(duì)象進(jìn)行了應(yīng)用研究。針對(duì)集群航天器近距離飛行任務(wù)中的分散與集結(jié)、模塊插入/退出及構(gòu)形快速重

6、構(gòu)三種典型操作任務(wù)，采用基于動(dòng)態(tài)增益調(diào)度控制、“3C”碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和動(dòng)態(tài)類(lèi)爬墻法的動(dòng)態(tài)智能防撞控制算法進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)智能防撞控制算法的有效性。
　　以在軌服務(wù)為背景進(jìn)行了應(yīng)用研究。針對(duì)在軌服務(wù)交會(huì)段防撞控制任務(wù)，采用基于自動(dòng)微分法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PD控制、“3C”碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和動(dòng)態(tài)類(lèi)爬墻法的動(dòng)態(tài)智能防撞控制算法設(shè)計(jì)了控制器，仿真結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)智能防撞控制算法的有效性。
　　利用在軌服務(wù)地面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了