面向新颖成像模式敏捷卫星的联合执行机构控制方法

为满足新颖成像模式对卫星姿态快速机动或对规划姿态的高精度跟踪控制需求,本文针对金字塔构型控制力矩陀螺（Control moment gyroscopes,CMG）群与反作用飞轮为联合执行机构的挠性敏捷卫星,提出一种融合以Legendre伪谱法实现卫星姿态及CMG群框架角速度最优规划的前馈控制、以非线性模型预测控制（Nonlinear model predictive control,NMPC）实现最优轨迹反馈跟踪的复合控制方法.在前馈控制律设计中,充分考虑了CMG群的力矩输出能力、奇异性及振动抑制性能等约束,规划获得了最优的CMG群框架角速度、卫星的姿态角及角速度.在反馈控制律设计中,以飞轮输出力矩能力、姿态机动快速性及能量为约束,设计了具有滚动优化思想的跟踪算法,补偿由于初始状态及转动惯量偏差等带来的控制误差.研究结果表明,在转动惯量存在偏差情况下,本文的控制方法仍是有效的,且表现出较强的鲁棒性.     

三轴稳定挠性卫星姿态机动时变滑模变结构和主动振动控制

针对带有控制受限的挠性卫星的姿态机动和振动控制问题, 给出了一类仅利用输出信息的变结构控制和 基于智能材料的主动振动控制技术相结合的复合控制方法. 首先给出变结构姿态控制器的设计来完成卫星姿态机动, 并给出一种切换机制以实现挠性卫星快速姿态机动; 其次, 采用分布式压电元件作为作动器, 设计了应变速率反馈补偿器以增加挠性结构的阻尼, 使其振动能够很快衰减. 最后, 将本文提出的方法应用于三轴稳定挠性卫星的姿态机动控制, 仿真结果表明: 在推力器的控制受限条件下, 完成姿态机动的同时, 有效地抑制挠性附件的振动.     

基于自组织小脑神经网络的挠性卫星姿态控制

研究卫星稳定性优化控制,卫星姿态控制系统是一个耦合的不确定非线性系统,在轨运行的卫星不可避免地受到模型参数不确定性和各种干扰力矩的影响,存在使挠性卫星大角度姿态机动的控制问题进一步复杂化.为了完成姿态控制任务,需要所设计的控制律具有较高的鲁棒性.采用滑模变结构控制对挠性卫星进行姿态机动控制,用神经网络对不确定性进行补偿,改变了传统的小脑神经网络补偿时实时性差的缺点,提出用自组织小脑神经网络对不确定性进行补偿,根据输入自动增加和减少节点数,并可以更新权值.对于模型的不确定性可以实时地补偿,提高了泛化能力.通过数值仿真,验证了所设计控制方法的有效性和鲁棒性,对优化卫星姿态稳定性控制提供依据.     

挠性卫星姿态非线性局部镇定控制

本文针对挠性卫星姿态机动和振动抑制问题,给出一种基于多项式平方和(sum of squares,SOS)的非线性局部镇定控制方法.根据姿态系统结构特征,在此基础上,采用SOS结合S-procedure理论,得出相应的非线性局部可镇定条件.该条件可借助有效凸优化工具进行检验,当优化问题可解时,可构造非线性姿态控制器的解析解.最后,将文中方法应用于某型挠性卫星姿态控制.仿真结果表明,在实现大角度姿态快速机动的同时,有效抑制了挠性附件振动.     

基于路径规划的挠性航天器姿态自适应控制

针对挠性航天器存在动力学参数不确定性以及三轴非线性强耦合的特点,提出了一种基于余弦函数路径规划的姿态自适应控制方法。首先,分析挠性航天器动力学模型,给出了其姿态控制系统的总体结构;然后,为有效抑制挠性附件振动对控制性能的影响,设计了一种余弦角加速度姿态路径规划方法对指令信号进行柔化,以减少指令信号中的高频成分;最后,将柔化指令信号作为控制系统的期望输入信号,并采用基于多输入多输出特征建模理论,设计了姿态自适应跟踪控制器。通过MATLAB/Simulink仿真,验证了所提姿态控制策略的有效性。     

多目标进化算法在卫星姿态控制中的应用

挠性卫星大角度机动姿态控制要求卫星能够较快地机动到给定位置,同时要求由卫星机动引起的帆板振动强度尽可能地小.基于一种新型的多目标优化进化算法,规划卫星的大角度机动路径,以同时优化卫星姿态机动的快速性和帆板低振动强度两个指标.仿真结果表明,所提方法运行一次便能够有效地搜索到一组多样性较好的非支配路径解,供决策者在不同的工作目标下选择,有效地缓解了两个指标间的矛盾.     

受扰挠性卫星全局稳定姿态跟踪控制

挠性卫星的姿态跟踪控制要求同时考虑卫星本体姿态跟踪和挠性附件振动对姿态跟踪影响。本文针对存在常值扰动和正弦扰动情况时的挠性卫星姿态跟踪控制问题，考虑目标姿态角速度可以时变的一般情形，设计了基于误差四元数的姿态跟踪控制律，并利用Barbalat引理证明了系统的全局稳定性。数学仿真结果表明该控制律能使闭环控制系统的姿态跟踪全局渐近稳定，从而有效消除常值干扰和正弦干扰，保证卫星本体跟踪精度。     

干扰环境下的挠性航天器姿态跟踪控制

挠性航天器在姿态机动过程会受环境干扰力矩的作用,研究有扰情况下挠性航天器的姿态跟踪控制问题.首先,设计了干扰观测器在线估计频率已知的外部干扰信号,然后,基于干扰观测器设计了非线性反馈姿态跟踪控制器以跟踪目标姿态,并且该控制器只需要误差四元数和角速度的反馈信息.其次,采用Lyapunov方程和Barbalat引理证明了控...     

卫星姿态直接自适应模糊预测控制

对具有模型不确定性和未知外干扰的卫星姿态系统提出了多输入多输出直接自适应模糊预测跟踪控制设计方法. 此方法先基于卫星姿态动力学模型设计出非线性广义预测控制律, 再构造直接自适应模糊控制器逼近预测控制律中因模型不确定性引起的未知项. 文中证明了所设计的控制律能使卫星跟踪给定的期望姿态轨迹, 跟踪误差收敛到原点的小邻域内. 仿真结果验证了此方法的有效性.     

带有干扰的挠性卫星非线性姿态输出反馈控制

针对挠性卫星在飞行过程中存在参数不确定性、干扰（常值扰动和正弦扰动）及挠性附件的振动控制问题,提出了一类基于输出反馈控制系统的鲁棒设计方法,该设计仅利用姿态四元数输出信息,而无需角速度、挠性变形位移及其速率测量信息;同时,在控制中又引入积分环节用于减小常值干扰引起的稳态误差,并且控制器参数的选者并不依赖于系统参数,基于Lyapunov理论证明了所设计的控制器保证了姿态的稳定和模态振动的衰减;最后,将该方法应用于挠性卫星的姿态机动控制,仿真结果表明该控制器不仅对参数不确定性具有很好的鲁棒性,而且能够有效消除常值干扰和正弦干扰的影响,在完成姿态机动控制的同时,能够抑制挠性附件的结构振动,具有良好的过渡过程品质．     

欠驱动航天器双飞轮—单喷气姿态最优控制原理及方法

欠驱动航天器的姿态控制能够增强航天器的可靠性.本文针对欠驱动航天器姿态控制, 从喷气姿态阻尼的角动量等效原理出发, 推导脉宽调制公式, 得到燃料消耗最小时给定姿态、非给定姿态两种情况下的喷气最优组合方案.同时, 为了实现喷气全局最优, 提出欠驱动飞轮姿态控制策略, 实现了运动航天器机动至预期姿态.进一步分析欠驱动飞轮航天器的姿态控制原理及稳定性, 提出了共面双飞轮-单喷气的配置方案, 通过双飞轮组合稳定航天器的角速度, 使得航天器到达预期姿态机动时燃料全局最省.结合绕两个旋转轴的姿态机动路径规划方法, 通过姿态机动时序关系的实时分配可实现航天器姿态机动与稳定控制.最后, 通过航天器姿态控制仿真和对比分析, 发现共面双飞轮-单喷气的欠驱动姿态阻尼及姿轨控制方案能够在较少硬件配置下实现对航天器的姿态控制, 且消耗燃料最少.     

无人机航迹跟踪控制与仿真

对于无人机的精确航迹跟踪问题进行了研究。系统分为基本姿态控制器设计和制导系统设计两个部分进行研究。利用多重时间尺度奇异摄动理论，结合非线性动态逆方法设计了基本姿态控制器，包括快逆回路和慢逆回路两部分。由引导飞机沿期望航迹的指令加速度解算出跟踪指令航迹所需要的制导力，求出飞机改变姿态所需的控制指令，作为基本姿态控制器的输入。针对某无人机模型进行了机动航迹跟踪仿真验证，仿真结果显示系统能够较好的跟踪指令机动航迹。证明了该方法的有效性和实用性。     

Quaternion-based Robust Trajectory Tracking Control of a Quadrotor Hover System

This paper presents a robust nonlinear output feedback control method that achieves three degree of freedom (3-DOF) attitude trajectory tracking of a hover system test bed. The proposed control method formally incorporates dynamic model uncertainty in addition to test bed voltage constraints. To reduce the computational requirement in the closed-loop system, constant feedforward estimates of the input-multiplicative parametric uncertainty are utilized in lieu of adaptive parameter estimates. To eliminate the need for angular rate measurements, the control design employs a bank of dynamic filters, which operates as a velocity estimator in the closed-loop system. A rigorous error system development and Lyapunov-based stability analysis are presented to prove asymptotic 3-DOF attitude trajectory tracking control. Computer simulation and experimental results are also included to illustrate the performance of the attitude control method using the Quanser 3-DOF hover system test bed.     

Control of non-cooperative spacecraft in final phase proximity operations under input constraints

This paper addresses the approaching trajectory control problem for the final phase of non-cooperative spacecraft proximity operations in the presence of disturbances and even input saturation. As a stepping stone, a novel line-of-sight tracking model is developed to describe attitude maneuver towards the target in the proximity. Then, a two-stage artificial potential function is employed to enable the pursuer spacecraft to comply the safety trajectory during approaching the target. In each stage, gradients of potential function are analyzed and the local minimum problem associated with potential function can be addressed. Furthermore, a saturated control law is proposed to ensure a reliable real-time tracking measurement of the target, and the controller rigorously enforces safe path and actuator magnitude constraints. The associated stability proof is accomplished through Lyapunov method. Simulations are carried out to evaluate the effectiveness of the proposed method.     

智轨电车横向运动预测控制研究

文章通过分析智轨电车的横向运动特性,将每节车的横摆角速度、横向加速度以及受力联系起来,建立3节车辆之间的运动学和动力学关系;提出一种能够反映智轨电车横向动力学特性的4自由度线性单轨模型;并将所建立的模型与Trucksim中的高精度非线性模型进行对比,验证了所建立模型的有效性及准确性;采用模型预测控制方法进行智轨电车轨迹跟踪控制研究,根据列车行驶过程中的优化目标,确定其评价函数,将多步预测控制问题转化为线性二次型(QP)问题进行求解。仿真结果表明,应用该算法的智轨电车能够达到很好的轨迹跟踪效果。     

基于hp自适应伪谱法的空间机器人路径规划

针对空间机器人运动过程中基座姿态产生较大扰动的问题,基于hp自适应高斯伪谱法提出了一种以基座所受反作用力矩最小为目标函数的空间机器人路径规划方法.首先,综合考虑空间机器人运动过程中存在的关节角度约束、关节角速度约束、控制力矩约束及初始状态和终端状态约束等约束条件,将空间机器人路径规划问题看成满足一系列约束条件和边界条件并实现特定性能指标最优的最优控制问题.其次,结合hp自适应高斯伪谱法（hp-AGPM）与非线性规划技术,求解带有边界约束和路径约束的优化控制问题,得到满足约束且性能指标最优的空间机器人运动轨迹.最后,以平面2自由度空间机械臂为例对所设计方法进行仿真验证,并与其他伪谱法进行对比分析.仿真结果表明：本文算法能在10.6 s的时间内规划出满足各约束条件且容许偏差低于10^-6的最优运动轨迹,并且在计算速度和配点数量上都优于其他伪谱法.     

Sliding Mode Rest-to-Rest Stabilization and Trajectory Tracking for a Discretized Flexible Joint Manipulator

In this article, a difference flatness approach is used for trajectory tracking tasks of an approximately (Euler) discretized model of a nonlinear, single link, flexible joint manipulator. The system's flat output is commanded to follow a prescribed trajectory achieving a desired angular position maneuver. A new robust discrete time feedback controller design technique, of the sliding mode type, is then proposed for the closed loop regulation of the link position around the prescribed trajectory. The effectiveness of the approach is illustrated by means of digital computer simulations in a rest-to-rest stabilization maneuver and in a sinusoidal reference trajectory tracking task.     

基于干扰观测器的机械臂广义模型预测轨迹跟踪控制

为实现对多自由度机械臂关节运动精确轨迹跟踪,提出一种基于非线性干扰观测器的广义模型预测轨迹跟踪控制方法。针对机械臂轨迹跟踪运动学子系统,采用广义预测控制（Generalized Predictive Control,GPC）方法设计期望的虚拟关节角速度。对于机械臂轨迹跟踪动力学子系统,考虑机械臂的参数不确定性和未知外界扰动,利用GPC方法设计关节力矩控制输入,基于非线性干扰观测器方法实时估计和补偿系统模型中的不确定性。在李雅普诺夫稳定性理论框架下证明了机械臂关节角位置和角速度的跟踪误差最终收敛于零的小邻域。数值仿真验证了所提出控制方法的有效性和优越性。     

Integration of Path/Maneuver Planning in Complex Environments for Agile Maneuvering UCAVs

In this work, we consider the problem of generating agile maneuver profiles for Unmanned Combat Aerial Vehicles in 3D Complex environments. This problem is complicated by the fact that, generation of the dynamically and geometrically feasible flight trajectories for agile maneuver profiles requires search of nonlinear state space of the aircraft dynamics. This work suggests a two layer feasible trajectory/maneuver generation system. Integrated Path planning (considers geometrical, velocity and acceleration constraints) and maneuver generation (considers saturation envelope and attitude continuity constraints) system enables each layer to solve its own reduced order dimensional feasibility problem, thus simplifies the problem and improves the real time implement ability. In Trajectory Planning layer, to solve the time depended path planning problem of an unmanned combat aerial vehicles, we suggest a two step planner. In the first step, the planner explores the environment through a randomized reachability tree search using an approximate line segment model. The resulting connecting path is converted into flight way points through a line-of-sight segmentation. In the second step, every consecutive way points are connected with B-Spline curves and these curves are repaired probabilistically to obtain a geometrically and dynamically feasible path. This generated feasible path is turned in to time depended trajectory with using time scale factor considering the velocity and acceleration limits of the aircraft. Maneuver planning layer is constructed upon multi modal control framework, where the flight trajectories are decomposed to sequences of maneuver modes and associated parameters. Maneuver generation algorithm, makes use of mode transition rules and agility metric graphs to derive feasible maneuver parameters for each mode and overall sequence. Resulting integrated system; tested on simulations for 3D complex environments, gives satisfactory results and promises successful real time implementation.