基于自适应滑模方法的航天器位置与姿态控制
宋 斌1, 2,马广富1,李传江1
(1.哈尔滨工业大学航天学院,哈尔滨150001,E-mai:l controlhit@ 163. com; 2上海宇航系统工程研究所,上海201108)
摘 要:为了解决存在参数不确定和外干扰的航天器位置与姿态控制问题,提出一种自适应滑模控制方法.该方法用于控制航天器的位置和姿态,确保航天器执行位置与大角度机动,完成捕获和移除大空间目标的任务.提出的控制算法无需不确定的界,比传统的滑模方法容易实现. Lapunov分析表明,设计的控制器保证了位置与姿态的渐近跟踪.最后,将该方法用于航天器的位置与姿态控制,仿真结果验证了方法的有效性.
关键词:位置控制;姿态控制;自适应滑模控制;航天器;机动
中图分类号:V448•2文献标识码:A文章编号:0367-6234(2008)09-1353-05
利用航天器将太空碎片(如故障航天器)从空间移除是一项新技术.未来的航天器(如轨道转移飞行器)应能够在空间执行大角度与复杂的位置机动,具有捕获和移除大空间目标的能力[1].为了完成捕获和移除大空间目标的任务,就需要同时控制航天器的位置和姿态,这比航天器姿态控制问题更复杂.
近年来,刚体航天器的姿态控制问题引起了诸多学者的关注.文献[2]设计了基于四元数无需角速度反馈的自适应姿态跟踪控制器,实现了对航天器转动惯量自适应估计.文献[3]采用基于Lyapunov的非线性控制方法,设计了无需角速度反馈、考虑控制输入饱和的控制方案.文献[4]采用基于Lyapunov的非线性控制方法,解决了存在控制输入饱和外干扰的姿态控制问题.文献[5]采用模糊控制方法,解决了存在控制输入饱和外干扰的姿态调节问题.最优控制[6]和逆优化控制[7]也用于航天器的姿态跟踪控制中.
以上的研究很好地解决了刚体航天器的姿态控制问题.然而,由于大空间目标在空间是六自由度运动的(包括平动和转动),为了完成捕获和移除大空间目标的任务,就要求航天器不但执行姿态跟踪,而且执行位置跟踪.文献[1]将滑模控制方法用于航天器的位置与姿态控制中.文献[8]应用依赖状态的Riccati方程方法(SDRE)控制航天器的位置和姿态,并取得了较好的结果.文献[9]提出了θ-D方法解决航天器的位置与姿态控制问题,克服了文献[8]需要在线计算Riccati方程的缺陷.然而,这些研究没有考虑航天器参数的不确定性,实际的航天器系统中,燃料的消耗、太阳帆板的展开以及有效载荷的运动都会引起航天器质量和转动惯量的变化,因此,航天器系统中处处存在参数不确定.而且,航天器在空间会受到各种外干扰力和干扰力矩的影响,而以上前人的研究中,忽略了干扰力和干扰力矩,这与工程实际不符.
本文提出了一个自适应滑模控制方法,解决了同时存在参数不确定和外干扰的航天器位置与姿态控制问题.设计的自适应滑模控制器无需不确定的界,易于工程实现.
1 航天器动力学与运动学
4 结 论
提出了一种自适应滑模控制器,解决了存在参数不确定和外干扰的刚体航天器位置与姿态控制问题.设计的自适应滑模控制器无需不确定界,消除了传统滑模控制器需要不确定界的要求,提出的控制算法易于工程实现.理论分析表明,提出的控制器确保了不确定航天器位置与姿态控制系统的鲁棒稳定性.最后,计算机仿真结果验证了提出控制算法的有效性和可行性.
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