基于一致性理论航天器编队协同控制方法的研究

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1、国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工学硕士学位论文基于一致性理论的航天器编队协同控制方法研究硕士研究生：张凡导师：张世杰副教授申请学位：工学硕士学科：飞行器设计所在单位：卫星技术研究所答辩日期：2010年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C:629.78DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONCONSENSUS-BASEDCOOPERATIVECONTROLOFSPACECRAFTFORMATIONCandidate:

2、ZhangFanSupervisor:Ass.Prof.ZhangShijieAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:SpacecraftDesignAffiliation:ResearchCenterofSatelliteTech.DateofDefense:July,2010Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要航天器编队系统通过多航天器协同工作以完成诸多单一航天器难以完成的空间任务，近十年来备受国际航天

3、领域的广泛关注。编队协同控制是实现航天器编队飞行的关键技术之一，也是航天领域研究的热点与难点，尚没有完善成熟的解决方案。本文利用代数图论这一形式化数学工具，研究了基于变权无向图的二阶一致性算法，并将其应用于航天器编队初始化防碰撞协同控制和相对方位约束下的航天器编队姿态同步协同控制等问题，取得了以下创新研究成果：为了提高基于加权无向图一致性算法的分布式协同控制系统的性能，针对二阶多智能体系统，提出了一类与状态变量相关加权一致性(SBWC:State-BasedWeightedConsensus)算法，通过对其进行渐近一致性分析给出了此类状态相关变权系数的选取条件。分别针对无Leader

4、和一个固定Leader这两种编队情况，基于人工势场法给出了与位置矢量相关的无向图加权策略，进而给出了相应的二阶一致性算法，同时基于LaSalle不变集原理证明了该算法的渐近一致性，并通过数值仿真验证了该算法的一致性。针对航天器编队初始化协同控制任务，给出了基于匈牙利算法的顶层任务分配策略和基于SBWC的底层分布式协同控制策略相结合的分散式递阶控制结构。针对底层分布式协同控制，构造了与航天器相对位置矢量反相关的人工势函数，在此基础上给出了基于SBWC的航天器编队初始化协同控制算法，有效地解决了编队初始化过程中的碰撞问题。这也解决了多固定Leader下编队的一致性协同控制问题。最后，通过

5、理论证明了该算法的渐近稳定性，通过数学仿真验证了该算法在编队构型初始化过程中的防碰撞性能。针对基于激光或视觉等相对状态测量敏感器具有相对方位约束要求的问题，为了确保航天器编队姿态同步过程中相对方位满足该约束条件，构造了与航天器相对姿态正相关的人工势函数，给出了相对方位约束下的航天器编队姿态同步协同控制算法，基于LaSalle不变集原理证明了该算法的渐近稳I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文定性，并通过数学仿真验证了其性能。关键词：航天器编队；协同控制；一致性；变权无向图；人工势函数II哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThespacecraftformationsystemw

6、hichcouldenablelargenumbersofuncomplicatedandinexpensivespacecraftstoworkcooperativelytoaccomplishcomplexaerospacemissionswhichagiantoneevencan’thasgottentheinternationalaerospaceacademics’interestinresentdecade.Themostpivotalanddifficulttechnologytoachievethespacecraftformationisthecooperative

7、controlonwhichthereisn’tsuccessfulexperience.Akindofstate-basedvariable-weightedconsensusalgorithmswhoseweightscouldbedesignedforsomespecificpurposeshasbeenproposedinthisdissertationbyundirectedgraphs.Thispaperaccomplishedtwoaeros