CN105905319B - 一种包含不确定项的空间可机动飞网释放及展开控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包含不确定项的空间可机动飞网释放及展开控制方法，通过加入推力器，其大包络、可机动、长飞行距离的特点可以更好的完成空间非合作目标抓捕任务；本发明在运动学和动力学建模的基础上，设计了一种飞网控制器最优引入判据，可以充分利用弹射释放的动能，根据抓捕点的需要，在最佳时刻引入控制器；本发明在所设计的控制器中加入了不确定项，对系统的模型误差具有一定的鲁棒性。通过飞网展开阶段的控制输入，避免飞网的混沌状态，可以使飞网快速稳定的释放并展开，为后续的抓捕任务打下坚实基础。
Description
【技术领域】
本发明属于航天器控制技术研究领域，具体涉及一种包含不确定项的空间可机动飞网释放及展开控制方法。
【背景技术】
可机动空间飞网相较于传统的不可控空间飞网，具有更加广泛的作战空间，可以根据被抓捕目标的轨道和姿态状态，实时调整可机动飞网自身的姿态和飞行速度等状态，实现非合作目标的最优抓捕。
为了更好的完成非合作目标抓捕，可机动空间飞网的释放及展开控制是重要的研究内容。可机动空间飞网的释放受到所选飞网材料、折叠方式、初始弹射角度及速度，以及飞网与可机动单元的质量比等的影响。在飞网完全弹射后，由于轨道摄动及模型不确定项等干扰的影响，会影响飞网的展开。除此之外，飞网在发射前的折叠存储方式导致其可机动单元的初始弹射角必然沿飞网的展开方向。此弹射角度虽然利于飞网展开，但也会导致展开极限和飞网编织系绳弹性所带来的混沌状态。除此之外，由于系统的复杂性，以及轨道各扰动的存在，系统动力学模型必然包含了诸多不确定向。为了更好的解决此问题，需要设计包含有不确定项的、可靠的释放和展开控制方法，从而保证空间可机动飞网快速而稳定的释放及展开。
作为空间非合作目标抓捕的前提，空间可机动飞网的释放策略和展开控制是整个抓捕任务的关键之一，直接影响了抓捕任务是否可以顺利进行，是可机动飞网的研究重点。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种包含不确定项的空间可机动飞网释放及展开控制方法，该方法可实现可机动空间飞网的快速稳定展开。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种包含不确定项的空间可机动飞网释放及展开控制方法，包括以下步骤：
1)设计空间可机动飞网的构型和拓扑结构；
空间可机动飞网由两部分构成：不可机动的飞网部分和与其连接的四个可机动单元部分；不可机动的飞网是一个四边形编织结构体，边长为L；其构成的网格拓扑结构是正方形网格，边长为l；四个可机动单元分别与不可机动的飞网的四个角相连，具有测量、计算、控制、推力器、热电控制、信息交互等分模块，视为相当量级的微小卫星；
2)建立可机动空间飞网的运动学和动力学公式；
空间可机动飞网的动力学方程为：其中：i表示飞网展开后的第i行，j表示飞网展开后的第j列，rij为飞网和四个可机动单元的空间矢量位置，Fij是飞网上每个编织网格节点的受力，u是系统的控制输入，ij＝11,1n,n1,nn表示四个可机动单元，ij≠11,1n,n1,nn表示不可机动飞网；飞网上每个编织节点的单一受力是其中E是杨氏模量，A是飞网编织系绳的横截面积，l飞网编织拓扑网格的边长，ξ＝|rij|-l，α是阻尼系数；
3)计算飞网释放状态和展开过程中某一时刻状态；
飞网初始时刻的系统动量为其中mij是可机动单元质量，v是可机动单元的弹出角速度；根据动量守恒定理和步骤1)中的飞网动力学公式，得到飞网弹出后任意时刻的系统状态为
4)计算空间可机动飞网的状态判据；
根据轨道坐标系定义，对完全展开后的空间可机动飞网的所有编织节点和四个可机动单元的矢量位置状态进行逻辑确认；在可机动飞网弹出后，对每一时刻的飞网状态进行逐行逐列的逻辑确认，当出现飞网状态混沌时，即应立即引入展开控制算法；
5)设计包含有不确定项的控制输入u；
设计可机动单元的输入u：
其中s系统的滑模面：
x为空间可机动系统的状态，d(x,t)是由物理模型与数学模型之间的模型误差和轨道摄动所组成的不确定项。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明由于加入了推力器，不同于传统空间飞网的不可机动特点，其大包络、可机动、长飞行距离的特点可以更好的完成空间非合作目标抓捕任务；本发明在运动学和动力学建模的基础上，设计了一种飞网控制器最优引入判据，可以充分利用弹射释放的动能，根据抓捕点的需要，在最佳时刻引入控制器；本发明在所设计的控制器中加入了不确定项，对系统的模型误差具有一定的鲁棒性。通过飞网展开阶段的控制输入，避免飞网的混沌状态，可以使飞网快速稳定的释放并展开，为后续的抓捕任务打下坚实基础。
【附图说明】
图1：空间可机动飞网的结构示意图；
图2：空间可机动飞网的坐标系示意图；
图3：空间可机动飞网在控制器下的展开示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-图3，本发明包含不确定项的空间可机动飞网释放及展开控制方法，包括以下步骤：
1)空间可机动飞网的构型和拓扑结构设计
如图1所示，空间可机动飞网由可机动单元和不可机动飞网两部分构成。飞网是一个四边形编织结构体，边长为L；其构成的网格拓扑结构是正方形网格，边长为l。四个可机动单元分别于飞网的四个角相连，具有测量、计算、控制、推力器、热电控制，信息交互等分模块，可以视为相当量级的微小卫星。飞网的编织材料选取为dyneema，其杨氏模量为60Gpa，横截面直径0.001m，拓扑网格边长l＝0.5m，飞网的总边长为L＝5m。
2)空间可机动飞网的运动学和动力学建模
如图2所示，O-XYZ是系统的惯性坐标系，CM-xoyozo是轨道坐标系，其中CM是系统质心，CMxo沿轨道径向并指向地心反方向，CMyo沿轨道切线并指向飞网运动方向。为了方便计算，将可机动飞网的飞网部分简化成为一个11×11编织节点的网状结构，行计数为A-K,列计数为a-k。所以可机动飞网上每个节点的运动学方程可表示为：
IRi＝IRCM+Iri
其中，IRi表示第i个节点在惯性坐标系下的位置矢量；IRCM表示系统的质心在惯性坐标系下的位置矢量；Iri表示惯性坐标系下，飞网上第i个节点相对于系统质心的相对位置。根据系统质心定理，可以得到系统全部节点的质量和位置关系如下：
其中，M是系统的总质量，mij是每个节点质量。
可机动飞网中，除去四个可机动单元，其他各个节点的受到的相邻连接系绳的拉力为：
其中，E是杨氏模量，A是飞网编织系绳的横截面积，l飞网编织拓扑网格的边长，ξ＝|rij|-l，α是阻尼系数，是rij的单位矢量。可以得到可机动飞网的动力学公式为：
其中，Aa,Ak,Ka,Kk表示四个可机动单元的所在编号，u为控制输入。
3)计算飞网释放状态和展开过程中某一时刻状态
飞网初始时刻的系统动量为：
其中mij是可机动单元质量，vij是可机动单元的弹出角速度。根据动量守恒定理和步骤1)中的飞网动力学公式，可以得到飞网弹出后任意时刻的系统状态为：
4)计算空间可机动飞网的状态判据
为了充分利用飞网的弹射释放，在最优时刻引入展开控制方法，本专利提出空间可机动飞网的状态判据。根据轨道坐标系定义，对完全展开后的空间可机动飞网的所有编织节点和四个可机动单元的矢量位置状态进行逻辑确认。作为一个11×11节点的飞网，根据步骤2)中的坐标系定义，在任意一行中(i＝A,B,…,K)，当zij≥zij+1，则飞网状态良好；当zij＜zij+1，则飞网状态混沌，需要引入展开控制。同样，在任意一列中j＝a,b,…,k，当xij≥xi+1j，则飞网状态良好；当xij＜xi+1j，则飞网状态混沌，需要引入展开控制。
在可机动飞网弹出后，对每一时刻的飞网状态进行逐行逐列的逻辑确认，当出现飞网状态混沌时，即应立即引入展开控制算法。
5)设计包含不确定项的控制输入u
根据步骤2)中所得到的运动学和动力学公式，系统的动力学公式可以简化表述成：
其中，是系统的状态参数，u是控制输入。
滑模控制面可以表示成为：
考虑到实际物理模型与数学模型之间的差异，以及轨道各干扰因素的影响，对上述控制面加入扰动项，则有：
其中，d(x,t)则表示由于模型或者实际环境所带来的误差项或者不确定项。
根据以上模型，设计控制输入为：
其中，μ1＞0，μ2≥0，m≥2，且均为系统常数，α1和α2是控制器增益。上式得到的u即为空间可机动飞网的四个可机动单元的实际输入，展开示意图如图3所示。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种包含不确定项的空间可机动飞网释放及展开控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)设计空间可机动飞网的构型和拓扑结构；
空间可机动飞网由两部分构成：不可机动的飞网部分和与其连接的四个可机动单元部分；不可机动的飞网是一个四边形编织结构体，边长为L；其构成的网格拓扑结构是正方形网格，边长为l；四个可机动单元分别与不可机动的飞网的四个角相连，具有测量、计算、控制、推力器、热电控制、信息交互等分模块，视为相当量级的微小卫星；
2)建立可机动空间飞网的运动学和动力学公式；
空间可机动飞网的动力学方程为：其中：i表示飞网展开后的第i行，j表示飞网展开后的第j列，rij为飞网和四个可机动单元的空间矢量位置，Fij是飞网上每个编织网格节点的受力，u是系统的控制输入，ij＝11,1n,n1,nn表示四个可机动单元，ij≠11,1n,n1,nn表示不可机动飞网；飞网上每个编织节点的单一受力是其中E是杨氏模量，A是飞网编织系绳的横截面积，l飞网编织拓扑网格的边长，ξ＝|rij|-l，α是阻尼系数；
3)计算飞网释放状态和展开过程中某一时刻状态；
飞网初始时刻的系统动量为其中mij是可机动单元质量，v是可机动单元的弹出角速度；根据动量守恒定理和步骤1)中的飞网动力学公式，得到飞网弹出后任意时刻的系统状态为
4)计算空间可机动飞网的状态判据；
根据轨道坐标系定义，对完全展开后的空间可机动飞网的所有编织节点和四个可机动单元的矢量位置状态进行逻辑确认；在可机动飞网弹出后，对每一时刻的飞网状态进行逐行逐列的逻辑确认，当出现飞网状态混沌时，即应立即引入展开控制算法；
5)设计包含有不确定项的控制输入u；
设计可机动单元的输入u：
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x为空间可机动系统的状态，d(x,t)是由物理模型与数学模型之间的模型误差和轨道摄动所组成的不确定项。
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