基于二階滑模算法的航天器相對位姿耦合控制研究.pdf

1、隨著空間探索任務取得重大成功，自主在軌服務技術受到了廣泛關注。就成本效應而言，對受損衛(wèi)星進行在軌維修具有潛在的節(jié)約效益。因此，對目標航天器進行在軌維修、裝配、升級等具有重大意義。未來在軌服務任務需要航天器能夠自主執(zhí)行交會對接操作，甚至涉及對自由翻滾的失控航天器進行在軌服務。于是，與失控目標進行自主交會對接控制成為必需解決的關鍵技術。本文主要研究了與自由翻滾目標航天器進行自主交會對接過程的相對位姿耦合控制算法，深入討論了基于二階滑模算法的

2、航天器對接端口間相對位姿耦合控制器設計方法。針對各控制器對不確定性和有界干擾的魯棒性、有限時間收斂特性以及抑制執(zhí)行機構震顫效應的能力進行分析與驗證。主要包括以下內(nèi)容：
　　分析航天器對接端口間相對運動關系，總結出三種可行位置關系端口間的交會對接方式。以此為基礎，考慮航天器相對旋轉(zhuǎn)運動對相對平移運動的耦合影響，建立航天器對接端口間相對位姿耦合動力學模型。分析出所建相對運動模型中各耦合項來源：航天器所受干擾力矩產(chǎn)生的動力學耦合；相對姿

3、態(tài)四元數(shù)、相對姿態(tài)角速度與服務航天器絕對姿態(tài)角速度產(chǎn)生的運動學耦合。通過數(shù)學仿真，在開環(huán)無控制情況下驗證各耦合項對相對平動運動狀態(tài)的影響效果。利用MATLAB與STK接口程序?qū)崿F(xiàn)交會對接控制的可視化設計，并驗證三種對接方式的可行性、安全性和可靠性。
　　為改善標準 Twisting滑模算法的控制特性，以二階滑模平面設計改進的Twisting控制器。利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論分析其有限時間收斂特性，并給出計算收斂時間上界的方法。通過數(shù)

4、學仿真，驗證所設計改進 Twisting算法的控制特性。針對二階滑模算法對距離原點較遠有界干擾魯棒性較弱的問題，以兩種形式滑模平面分別設計含線性補償項的改進 Twisting控制器。選取新的李雅普諾夫函數(shù)證明其有限時間收斂特性，同時得到收斂時間的上界。通過數(shù)學仿真，驗證其抑制距離原點較遠有界干擾的魯棒性；計算穩(wěn)態(tài)階段控制力與力矩絕對值沖量累積和來檢驗其減弱執(zhí)行機構抖顫的效果。
　　利用Super Twisting(ST)控制算法無

5、需計算滑模變量對時間導數(shù)的特點，設計航天器對接端口間相對位姿耦合的ST控制器。基于李雅普諾夫方法分析其有限時間收斂的特性，并計算收斂時間上界。通過數(shù)學仿真，驗證 ST控制器的收斂特性以及對模型不確定性和距離原點較遠有界干擾的魯棒性。類似地，將 ST算法與線性控制相結合來提高系統(tǒng)對距離原點較遠有界干擾的魯棒性。選取新的李雅普諾夫函數(shù)證明改進 ST控制器仍然可以在有限時間內(nèi)收斂到平衡點，并計算出收斂時間上界。通過對比仿真，驗證閉環(huán)系統(tǒng)對參數(shù)

6、不確定性及不同形式有界干擾作用的魯棒性，同時利用穩(wěn)態(tài)時控制力與力矩的絕對值沖量累積和檢驗其抑制執(zhí)行機構震顫作用的能力。
　　為了進一步提高二階滑模控制器對距離原點較遠有界干擾的魯棒性，利用自適應思想動態(tài)計算控制器的增益矩陣。針對已知上界有界干擾與未知上界有界干擾兩種情況，考慮模型參數(shù)不確定性以及相對導航誤差等因素，分別設計基于自適應 ST算法的航天器對接端口間相對位姿耦合控制器(記作 AST1與AST2)。利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論