基于控制力矩陀螺的空間站姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃與控制方法研究.pdf

1、空間站執(zhí)行交會(huì)對(duì)接等任務(wù)時(shí)需要進(jìn)行大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)。論文以我國(guó)空間站工程為背景，主要針對(duì)采用控制力矩陀螺的空間站零燃料大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃與控制方法進(jìn)行研究，并有所拓展，主要工作與成果如下：
　　研究了空間站姿態(tài)機(jī)動(dòng)單目標(biāo)最優(yōu)路徑規(guī)劃問題。1）規(guī)劃了零燃料姿態(tài)機(jī)動(dòng)角動(dòng)量最優(yōu)、時(shí)間最優(yōu)與能量最優(yōu)機(jī)動(dòng)路徑，研究表明典型的角動(dòng)量最優(yōu)路徑與時(shí)間最優(yōu)路徑具有相同的特點(diǎn)，二者均為奇異最優(yōu)解；能量最優(yōu)路徑可以有效節(jié)省能量，其控制力矩陀螺角動(dòng)量變

2、化率光滑；2）考慮單框架控制力矩陀螺的框架角運(yùn)動(dòng)，規(guī)劃了一體化零燃料機(jī)動(dòng)路徑，實(shí)施機(jī)動(dòng)時(shí)對(duì)該路徑進(jìn)行跟蹤可以有效規(guī)避控制力矩陀螺奇異，提高機(jī)動(dòng)品質(zhì)；3）提出了一種新的空間站大角度姿態(tài)機(jī)動(dòng)概念——控制力矩陀螺輔助機(jī)動(dòng)，規(guī)劃了燃料最優(yōu)控制力矩陀螺輔助機(jī)動(dòng)路徑，研究表明該技術(shù)結(jié)合了零燃料機(jī)動(dòng)與推力器機(jī)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，可以有效節(jié)省機(jī)動(dòng)燃料、減少機(jī)動(dòng)時(shí)間。
　　研究了空間站姿態(tài)機(jī)動(dòng)多目標(biāo)最優(yōu)路徑規(guī)劃問題。1）構(gòu)造了考慮控制力矩陀螺峰值角動(dòng)量、機(jī)動(dòng)

3、時(shí)間與機(jī)動(dòng)能量性能指標(biāo)的零燃料機(jī)動(dòng)多目標(biāo)優(yōu)化模型，提出了定性的靈敏度分析方法，利用邊界條件特點(diǎn)與 Karush-Kuhn-Tucker乘子性質(zhì)可以避免對(duì)最優(yōu)控制問題的求解，定性地研究性能指標(biāo)間的折中關(guān)系；2）分析了零燃料機(jī)動(dòng)多目標(biāo)優(yōu)化問題中角動(dòng)量指標(biāo)、時(shí)間指標(biāo)與能量指標(biāo)之間的折中關(guān)系，證明了最小 CMGs峰值角動(dòng)量隨機(jī)動(dòng)時(shí)間的增加而減小，最小機(jī)動(dòng)能量隨 CMGs最大角動(dòng)量參數(shù)的增加而減小等關(guān)系；3）采用數(shù)值計(jì)算對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證與

4、補(bǔ)充，綜合分析了零燃料機(jī)動(dòng)多目標(biāo)間的折中關(guān)系并規(guī)劃了多目標(biāo)最優(yōu)機(jī)動(dòng)路徑。
　　研究了空間站姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑快速規(guī)劃問題。1）提出了一種新的軌跡優(yōu)化方法——快速路徑規(guī)劃方法，該方法綜合了全變量參數(shù)化方法與部分變量參數(shù)化方法的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)路徑的快速規(guī)劃；2）研究了基于平坦屬性的零燃料機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃問題。證明了多輸入多輸出反饋線性化仿射系統(tǒng)狀態(tài)變換奇異與控制變換奇異的等價(jià)關(guān)系。對(duì)于環(huán)境力矩中僅考慮地球引力梯度力矩的情形，考察了四組分別偏

5、重于不同類型機(jī)動(dòng)的平坦輸出，結(jié)果表明僅大角度偏航機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃可行。進(jìn)一步給出了系統(tǒng)不能反饋線性化的本性奇異姿態(tài)，分析表明無論構(gòu)造何種平坦輸出，一般大角度俯仰與滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃均容易遭遇奇異；對(duì)于同時(shí)考慮氣動(dòng)力矩的情形，基于簡(jiǎn)化的氣動(dòng)力矩模型，說明了基于平坦屬性的大角度偏航機(jī)動(dòng)路徑規(guī)劃會(huì)發(fā)生奇異；3）給出了一種實(shí)用的零燃料機(jī)動(dòng)路徑快速規(guī)劃方法，其對(duì)不滿足控制力矩陀螺角動(dòng)量邊界條件的路徑進(jìn)行重規(guī)劃，通過調(diào)整姿態(tài)軌跡實(shí)現(xiàn)解的可行性；4）發(fā)展提

6、出了變區(qū)間局部快速路徑規(guī)劃方法，實(shí)現(xiàn)了控制力矩陀螺輔助機(jī)動(dòng)路徑的快速規(guī)劃。
　　研究了零燃料機(jī)動(dòng)的控制方法與單框架控制力矩陀螺在線規(guī)劃操縱律。1）提出了一種新型魯棒跟蹤控制方法，通過在線調(diào)整參考軌跡消除初始狀態(tài)誤差、環(huán)境干擾力矩與慣量偏差的影響，仿真驗(yàn)證了方法的有效性；2）基于快速路徑規(guī)劃方法的軌跡快速優(yōu)化能力，研究了采用模型預(yù)測(cè)控制的零燃料機(jī)動(dòng)，提高了機(jī)動(dòng)的靈活性；3）研究了預(yù)測(cè)/跟蹤控制方法，實(shí)現(xiàn)了零燃料機(jī)動(dòng)可靠性、靈活性與高

7、品質(zhì)的統(tǒng)一，通過翻滾空間站的姿態(tài)恢復(fù)機(jī)動(dòng)驗(yàn)證了方法的有效性；4）研究了單框架控制力矩陀螺在線規(guī)劃操縱律設(shè)計(jì)，通過分層規(guī)劃策略簡(jiǎn)化規(guī)劃問題，實(shí)現(xiàn)了單框架控制力矩陀螺框架角運(yùn)動(dòng)的在線規(guī)劃，仿真結(jié)果表明相對(duì)于傳統(tǒng)的偽逆操縱律，采用該操縱律控制力矩陀螺框架角運(yùn)動(dòng)明顯光滑，性能指標(biāo)得到很大改善。
　　論文提出的快速路徑規(guī)劃方法、魯棒跟蹤控制方法與單框架控制力矩陀螺在線規(guī)劃操縱律豐富了相關(guān)領(lǐng)域的方法體系，多目標(biāo)優(yōu)化問題目標(biāo)間折中關(guān)系分析和平坦