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越來越復雜，對其快速性、自主性及可靠性要求越來越高，航天器近距離操作過程中的動力學與控制研究面臨更大挑戰(zhàn)。論文以航天器近距離操作過程中的防撞控制問題為背景，在近距離相對運動動力學、碰撞風險評估方法及非線性控制方法研究基礎上，建立了一套近距離操作動態(tài)智能防撞控制方法，并應用于集群航天器近距離操作防撞控制和在軌服務交會段自主防撞控制兩類典型任務。
　　在理論研究方面：
　　研究了近距離相對運動動力學模型。

2、采用控制對象體坐標系為參考系，建立了對偶四元數(shù)描述的耦合相對動力學模型，解析證明了該模型理論上與傳統(tǒng)的動力學方程的一致性。仿真分析了對偶四元數(shù)描述與傳統(tǒng)描述下的耦合相對運動模型的狀態(tài)預報精度，結(jié)果表明短時間內(nèi)采用基于對偶四元數(shù)的相對運動模型計算相對狀態(tài)是可行的。在此基礎上，建立了相對運動的誤差模型并將其線性化，將航天器近距離機動問題轉(zhuǎn)換為追蹤控制問題。
　　研究了近距離飛行碰撞風險評估方法。分析了航天器碰撞風險評估的主要內(nèi)容及一般

3、過程，討論了最小交會距離及碰撞概率兩類常用評估方法的模型適用性。提出了動態(tài)安全域的定義和基于系統(tǒng)性能參數(shù)的碰撞風險評估“3C”模型，采用評估指標遞階式的方法對航天器進行碰撞風險估計，仿真結(jié)果表明“3C”模型能有效降低虛警率。
　　研究了動態(tài)增益調(diào)度控制方法。推導了動態(tài)增益調(diào)度方法的顯式表達并擴展用于一般多輸入非線性系統(tǒng)，證明了全狀態(tài)反饋時動態(tài)增益調(diào)度與非線性動態(tài)逆的一致性。針對某些實際應用系統(tǒng)很難給出解析表達式的情形，推導了基于數(shù)

4、值計算的多輸入動態(tài)增益調(diào)度控制律，并用F16戰(zhàn)斗機及空間機械臂兩個實例驗證了動態(tài)增益調(diào)度方法對于非線性系統(tǒng)控制的有效性。
　　提出了動態(tài)智能防撞控制方法。闡述由跟蹤控制、碰撞風險評估和避撞控制組成的動態(tài)智能防撞控制算法及其各部分的設計準則。除動態(tài)增益調(diào)度控制方法外，還提出了基于自動微分法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡PD控制方法用于跟蹤控制，自動微分法的引入用于解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡中梯度求解不精確的問題，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上提出了動態(tài)類爬墻法，避開了目標不可達。一旦陷入局部最小點，在航天器可達范圍內(nèi)進行優(yōu)化選擇，確保動態(tài)智能防撞控制算法的可行性。將動態(tài)智能防撞控制算法與加強LQR/APF控制算法進行仿真比較，結(jié)果表明動態(tài)智能防撞控制算法對于單模塊或雙模塊防撞機動控制的有效性、穩(wěn)定性與魯棒性。
　　在應用研究方面：
　　以集群航天器為對象進行了應用研究。針對集群航天器近距離飛行任務中的分散與集結(jié)、模塊插入/退出及構形快速重

6、構三種典型操作任務，采用基于動態(tài)增益調(diào)度控制、“3C”碰撞風險評估方法和動態(tài)類爬墻法的動態(tài)智能防撞控制算法進行了仿真分析，結(jié)果驗證了動態(tài)智能防撞控制算法的有效性。
　　以在軌服務為背景進行了應用研究。針對在軌服務交會段防撞控制任務，采用基于自動微分法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡PD控制、“3C”碰撞風險評估方法和動態(tài)類爬墻法的動態(tài)智能防撞控制算法設計了控制器，仿真結(jié)果驗證了動態(tài)智能防撞控制算法的有效性。
　　利用在軌服務地面實驗系統(tǒng)進行了