CN107797449B - 一种信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法，包括对服务航天器‑非合作目标的组合体进行运动学动力学建模；计算组合体的实际惯量参数和估计值；得到组合体输入分布矩阵的实际值B和计算值
Figure DDA0001421558630000011
的关系；建立信息不完备情形下组合体的运动学动力学方程；将被控对象分为内外两个环路，建立控制器，实现对组合体的接管控制。实现了在目标信息不完备以及存在干扰、以及参数不确定的情形下，将航天器‑非合作目标组合体的姿态调整到期望值的目标。

Description

一种信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，涉及一种信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法。
背景技术
空间碎片的不断增多给人类航天活动的安全带来不利影响，空间碎片的抓捕和移除已成为当前航天在轨服务的研究热点。另一方面，作为未来空间探索的一部分，小行星的捕获和研究任务已经成为美国国家航天局的重点项目之一。空间碎片和小行星都是空间非合作目标，其接管控制技术已成为当前急需研究的重要课题。空间非合作目标通常不能配合服务航天器的动作，也不能提供完备的状态信息。因此，研究信息不完备情形下的接管控制方法，具有重要的理论和实践意义。
Yoshida等提出了空间非合作目标捕获过程的完整控制方法，包括接近段的动量法、碰撞过程中的阻抗控制法和碰撞后的分布式动量方法。Liu等提出了一种接管后组合体的比例-微分镇定方法。Flores等研究了一种最小化碰撞的最优控制策略。此外，Huang等研究了基于空间绳系机器人的一系列接管控制方法。但是，上述方法都未考虑被接管对象的信息不完备性。如前所述，常见的空间非合作目标，如空间碎片、失效航天器和小行星等都不能提供完备的状态信息。因此，本发明针对信息不完备情形下的空间非合作目标，基于自适应思想提出了一种可靠的接管控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法；实现了在目标信息不完备以及存在干扰、以及参数不确定的情形下，将航天器-非合作目标组合体的姿态调整到期望值的目标。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法，包括以下步骤：
步骤1，对服务航天器-非合作目标的组合体进行运动学动力学建模；
步骤2，计算组合体的实际惯量参数和估计值；
步骤3，得到组合体输入分布矩阵的实际值B和计算值
Figure BDA0001421558610000021
的关系；
步骤4，建立信息不完备情形下组合体的运动学动力学方程；
步骤5，将被控对象分为内外两个环路，建立控制器，实现对组合体的接管控制。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中步骤5中控制器包括内环控制律和外环控制律，其中内环控制律通过组合体的期望姿态和姿态运动学进行调整；外环控制律包括非线性反馈和非线性不确定性自适应补偿输出控制分配环节，控制分配环节与输入不确定性自适应补偿输出姿态动力学。
其中步骤5中内环控制律为ωe,virtual＝-kqe，其中k＞0；定义
Figure BDA0001421558610000031
外环控制律为：
Figure BDA0001421558610000032
其中
Figure BDA0001421558610000033
Figure BDA0001421558610000034
为
Figure BDA0001421558610000035
的估计值，
Figure BDA0001421558610000036
其中步骤5中控制分配环节为：
Figure BDA0001421558610000037
输入不确定性的补偿项为：
Figure BDA0001421558610000038
其中
Figure BDA0001421558610000039
得到控制律为u＝uc+ua。
其中步骤1中组合体的姿态运动学和动力学方程分别用四元数表示为：
Figure BDA00014215586100000310
其中
Figure BDA00014215586100000311
为单元四元数，
Figure BDA00014215586100000312
表示组合体的角速度，B表示控制分布矩阵，u代表控制输入，dext分别代表外干扰，
Figure BDA00014215586100000313
为反对称矩阵，且S(x)y＝x×y。
其中步骤2中通过平行轴定理计算得到组合体实际惯量参数
Figure BDA00014215586100000314
在控制过程中获得测量的惯量参数
Figure BDA00014215586100000315
并且计算两者的差值
Figure BDA00014215586100000316
其中
Figure BDA00014215586100000317
Λ＝Diag[]。
其中信息不完备情形下组合体的运动学动力学方程为面向控制的组合体姿态运动学动力学方程，具体为：
Figure BDA0001421558610000041
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明从服务航天器-非合作目标组合体的运动学动力学角度出发，在目标信息不完备的情形下，能够实现非合作目标的接管控制；同时，姿态接管控制器结构简单，可以减轻星载计算机的运算负荷；同时，该接管控制方法能够克服空间存在各种干扰力矩如太阳光压、重力梯度力矩等情形下，具备一定的鲁棒性和自适应性。通过该控制方法，能够满足服务航天器工作过程中保持对地通信畅通和太阳帆板指向等任务需要。
附图说明
图1为本发明的服务航天器和空间非合作目标的组合体示意图；
图2为本发明中自适应姿态接管控制系统结构示意图；
图3为本发明中接管控制误差变化轨线图；
图4为本发明中四元数表示的接管控制误差收敛轨线图；
图5为自适应参数的变化轨线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供了一种信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法，其具体实施例为，如图1所示，服务航天器由三自由度转动副机械臂和卫星基座组成，服务航天器与非合作目标构成刚体。空间控制器的参数如下表所示：
Figure BDA0001421558610000051
Figure BDA0001421558610000061
控制器使组合体姿态稳定到预设的期望值。假定组合体的初始姿态为
Figure BDA0001421558610000062
Q(0)＝[0.9523,-0.0034,0.1787,0.2473]；期望姿态为
Figure BDA0001421558610000063
惯量测量值有50％的不确定性。
上述在信息不完备情形下的空间非合作目标的接管控制的具体过程是：
步骤1，对捕获后的服务航天器-非合作目标进行运动学动力学建模，组合提的姿态运动学和动力学方程用四元数分别表示为：
Figure BDA0001421558610000064
Figure BDA0001421558610000065
其中
Figure BDA0001421558610000066
为单元四元数，
Figure BDA0001421558610000067
表示组合体的角速度，B表示控制分布矩阵，u代表控制输入，dext分别代表外干扰，
Figure BDA0001421558610000068
为反对称矩阵，且S(x)y＝x×y。
定义期望姿态为Qd＝[qd T,qd0]T，则跟踪误差变为
Figure BDA0001421558610000069
其中Qd -1＝[-qd T,qd0]T，
Figure BDA00014215586100000610
表示四元数乘法算子。因此角速度误差表示为ωe＝ω-R(Qe)ωd，ωd为期望角速度。定义旋转矩阵为
Figure BDA00014215586100000611
得到跟踪误差方程为：
Figure BDA00014215586100000612
步骤2，根据平行轴定理，计算得到组合体实际惯量参数为
Figure BDA0001421558610000071
在控制过程中计算并测得惯量参数为
Figure BDA0001421558610000072
根据上述推导过程，得到实际惯量参数
Figure BDA0001421558610000073
和计算测量的惯量参数
Figure BDA0001421558610000074
之差为
Figure BDA0001421558610000075
步骤3，从图1可知，组合体质心位置估计值不准确，因此控制器输入分布矩阵存在不确定性，分析可知其实际值B和计算值
Figure BDA0001421558610000076
分别为：
Figure BDA0001421558610000077
其中
Figure BDA0001421558610000081
因此得到输入分布矩阵的实际值B和计算值
Figure BDA0001421558610000082
的内在关系为：
Figure BDA0001421558610000083
步骤4，根据步骤1中姿态运动学动力学方程，结合步骤2和步骤3中惯量不确定性和输入不确定性及分析，得到信息不完备情形下的组合体姿态运动学动力学方程为：
Figure BDA0001421558610000084
该方程为面向控制的组合体姿态运动学动力学方程，便于设计自适应控制律和接管控制系统。
步骤5，该控制器为基于非线性反馈和自适应思想设计控制器；由组合体姿态运动学和动力学方程可知，运动学方程和动力学方程具有不同的时间尺度，因此将控制对象分为内外两个环路，控制系统的框架图如图2所示。内环控制律为：ωe,virtual＝-kqe，其中设计参数k＞0，定义
Figure BDA0001421558610000085
设计外环控制律为：
Figure BDA0001421558610000086
其中
Figure BDA0001421558610000087
Figure BDA0001421558610000088
为
Figure BDA0001421558610000091
的估计值，
Figure BDA0001421558610000092
控制分配环节为
Figure BDA0001421558610000093
输入不确定性的补偿项为
Figure BDA0001421558610000094
其中
Figure BDA0001421558610000095
因此其控制律为u＝uc+ua，自适应律为
Figure BDA0001421558610000096
本实施例的在信息不完备情形下的空间非合作目标基于非线性反馈的自适应接管控制方法的实际效果图如图3、4、5所示。姿态角能够平稳地收敛到期望值，比传统的非线性反馈方法具有更小的误差。通过该控制器可以实现空间非合作目标的接管控制，该控制方法简单可行，能够应用在工程实际中。

Claims (4)

1.一种信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对服务航天器-非合作目标的组合体进行运动学动力学建模；
步骤2，计算组合体的实际惯量参数和测量的惯量参数；
步骤3，得到组合体输入分布矩阵的实际值B和计算值
Figure FDA0002626331490000011
的关系；
步骤4，建立信息不完备情形下组合体的运动学动力学方程，
Figure FDA0002626331490000012
Figure FDA0002626331490000013
步骤5，将被控对象分为内外两个环路，建立控制器，实现对组合体的接管控制；
所述步骤5中控制器包括内环控制律和外环控制律，其中内环控制律通过组合体的期望姿态和姿态运动学进行调整；外环控制律包括非线性反馈和非线性不确定性自适应补偿输出控制分配环节，控制分配环节与输入不确定性自适应补偿输出姿态动力学；
所述步骤5中内环控制律为ωe,virtual＝-kqe，其中k＞0；定义
Figure FDA0002626331490000014
外环控制律为：
Figure FDA0002626331490000015
其中
Figure FDA0002626331490000016
Figure FDA0002626331490000017
为γ,
Figure FDA0002626331490000018
的估计值，
Figure FDA0002626331490000019
所述步骤5中控制分配环节为：
Figure FDA00026263314900000110
输入不确定性的补偿项为：
Figure FDA0002626331490000021
其中
Figure FDA0002626331490000022
得到控制律为u＝uc+ua。
2.根据权利要求1所述的信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法，其特征在于，所述步骤1中组合体的姿态运动学和动力学方程分别用四元数表示为：
Figure FDA0002626331490000023
其中
Figure FDA0002626331490000024
为单元四元数，
Figure FDA0002626331490000025
表示组合体的角速度，B表示控制分布矩阵，u代表控制输入，dext分别代表外干扰，
Figure FDA0002626331490000026
为反对称矩阵，且S(x)y＝x×y。
3.根据权利要求1所述的信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法，其特征在于，所述步骤2中通过平行轴定理计算得到组合体实际惯量参数
Figure FDA0002626331490000027
在控制过程中获得测量的惯量参数
Figure FDA0002626331490000028
并且计算两者的差值
Figure FDA0002626331490000029
4.根据权利要求1所述的信息不完备情形下的空间非合作目标接管控制方法，其特征在于，控制分配矩阵存在如下关系
Figure FDA00026263314900000210
Λ＝Diag[]。
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