基于二阶滑模算法的航天器相对位姿耦合控制研究

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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：公开工学博士学位论文基于二阶滑模算法的航天器相对位姿耦合控制研究博士研究生：陈炳龙导师：耿云海教授申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C:629.78DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONSPACECRAFTRELATIVEPOSITIONANDATTITUDECOUPLEDC

2、ONTROLONTHEBASISOFSECOND-ORDERSLIDINGMODEALGORITHMCandidate：ChenBinglongSupervisor：Prof.GengYunhaiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Instit

3、ution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要随着空间探索任务取得重大成功，自主在轨服务技术受到了广泛关注。就成本效应而言，对受损卫星进行在轨维修具有潜在的节约效益。因此，对目标航天器进行在轨维修、装配、升级等具有重大意义。未来在轨服务任务需要航天器能够自主执行交会对接操作，甚至涉及对自由翻滚的失控航天器进行在轨服务。于是，与失控目标进行自主交会对接控制成为必需解决的关键技术。本文主要研究了与自由翻滚目标航天器进行自主交会对接过程的相对位姿耦合控制算法，深入讨论了基于二阶滑模算法的航天器对接端口间相对位姿耦合控制器设计方法。针

4、对各控制器对不确定性和有界干扰的鲁棒性、有限时间收敛特性以及抑制执行机构震颤效应的能力进行分析与验证。主要包括以下内容：分析航天器对接端口间相对运动关系，总结出三种可行位置关系端口间的交会对接方式。以此为基础，考虑航天器相对旋转运动对相对平移运动的耦合影响，建立航天器对接端口间相对位姿耦合动力学模型。分析出所建相对运动模型中各耦合项来源：航天器所受干扰力矩产生的动力学耦合；相对姿态四元数、相对姿态角速度与服务航天器绝对姿态角速度产生的运动学耦合。通过数学仿真，在开环无控制情况下验证各耦合项对相对平动运动状态的影响效果。利用MATLAB与STK接口程序实现

5、交会对接控制的可视化设计，并验证三种对接方式的可行性、安全性和可靠性。为改善标准Twisting滑模算法的控制特性，以二阶滑模平面设计改进的Twisting控制器。利用李雅普诺夫稳定性理论分析其有限时间收敛特性，并给出计算收敛时间上界的方法。通过数学仿真，验证所设计改进Twisting算法的控制特性。针对二阶滑模算法对距离原点较远有界干扰鲁棒性较弱的问题，以两种形式滑模平面分别设计含线性补偿项的改进Twisting控制器。选取新的李雅普诺夫函数证明其有限时间收敛特性，同时得到收敛时间的上界。通过数学仿真，验证其抑制距离原点较远有界干扰的鲁棒性；计算稳态阶

6、段控制力与力矩绝对值冲量累积和来检验其减弱执行机构抖颤的效果。利用SuperTwisting(ST)控制算法无需计算滑模变量对时间导数的特点，设计航天器对接端口间相对位姿耦合的ST控制器。基于李雅普诺夫方法分析其有限时间收敛的特性，并计算收敛时间上界。通过数学仿真，验证ST控制器的收敛特性以及对模型不确定性和距离原点较远有界干扰的鲁棒性。类似地，将ST算法与线性控制相结合来提高系统对距离原点较远有界干扰的鲁棒性。选取新的李雅普诺夫函数证明改进ST控制器仍然可以在有限时间内收敛到平-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文衡点，并计算出收敛时间上界。通过对比仿真

7、，验证闭环系统对参数不确定性及不同形式有界干扰作用的鲁棒性，同时利用稳态时控制力与力矩的绝对值冲量累积和检验其抑制执行机构震颤作用的能力。为了进一步提高二阶滑模控制器对距离原点较远有界干扰的鲁棒性，利用自适应思想动态计算控制器的增益矩阵。针对已知上界有界干扰与未知上界有界干扰两种情况，考虑模型参数不确定性以及相对导航误差等因素，分别设计基于自适应ST算法的航天器对接端口间相对位姿耦合控制器(记作AST1与AST2)。利用李雅普诺夫稳定性理论证明其有限时间收敛到平衡点的特性，同时给出收敛时间上界的计算方法。通过数学仿真，验证各控制器对不同形式有界干扰作用和

8、模型参数不确定性的鲁棒性，同时根据稳态阶段控制力与力矩绝对值冲量累积和证明其降低