【摘要】：近年來,隨著空間科學技術的不斷發(fā)展以及對各種航天任務需求的逐年增加,航天器的自主交會對接技術由于具有廣泛的應用范圍而備受關注。為成功實現(xiàn)針對地球在軌航天器,尤其是非合作航天器的交會對接任務,鑒于其運動狀態(tài)的未知性和非合作目標的不可控性,所以需要利用追蹤航天器完成針對目標航天器的伴飛、繞飛以及懸停等一系列軌道構型控制任務。因此,本文以航天器在軌服務為背景,基于滑模控制、勢函數(shù)理論和自適應控制等方法,對航天器軌道構型控制、慢旋非合作目標航天器的主動繞飛避碰控制,以及考慮自主避碰問題的非合作目標航天器交會對接控制等問題進行了深入研究。主要內容如下:首先,研究了帶有避碰約束的Euler-Lagrange系統(tǒng)的跟蹤控制問題。利用雙曲正切函數(shù)、勢函數(shù)和線性滑模函數(shù)構造了一種新型的滑模面函數(shù),并以此設計了避碰跟蹤控制器,且閉環(huán)系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的。在證明過程中,主要基于雙曲正切函數(shù)的有界性和勢函數(shù)的固有屬性,確保了系統(tǒng)在跟蹤控制過程中不會與障礙物發(fā)生碰撞,并且不存在局部極小值問題。通過數(shù)值仿真實驗,分析并驗證了所提出控制器的有效性,被控系統(tǒng)能快速實現(xiàn)對目標信號的跟蹤,且不會與障礙物發(fā)生碰撞。其次,研究了航天器構型控制中的伴飛、繞飛以及懸�？刂频葐栴}。首先,針對航天器伴飛控制問題,建立了描述伴飛運動的C-W方程,給出了相應的長期伴飛脈沖控制策略。并且基于滑�？刂评碚撛O計了連續(xù)的、漸近穩(wěn)定的伴飛控制器。仿真結果表明,所設計伴飛控制器均能實現(xiàn)高精度伴飛,且連續(xù)伴飛控制相對于脈沖控制具有更高的控制精度;其次,針對航天器繞飛控制問題,分別給出了自然繞飛和主動繞飛控制策略。其中,在自然繞飛控制中分別對自然橢圓繞飛和異面自然橢圓繞飛進行了研究分析,在主動繞飛中給出了脈沖繞飛控制策略;再次,基于快速終端滑模設計了有限時間收斂的連續(xù)主動繞飛控制器。仿真結果驗證了上述繞飛控制策略的有效性,且所設計的主動繞飛連續(xù)控制器相對于脈沖繞飛控制器具有更高的控制精度;最后,針對航天器懸�？刂茊栴},給出了工程上適用的懸�？刂撇呗�。并且,基于多變量超螺旋滑模(Multivariable Super-Twisting Sliding Mode,MSTSM)方法,提出了一個無抖振的、有限時間收斂的懸�？刂破�。同時,為解決輸入受限問題,基于雙曲正切函數(shù)和輔助系統(tǒng)方法,構造了一個輸入受限的、有限時間收斂的懸停控制器。針對上述懸停控制器均給出了嚴格的理論分析和證明,并通過數(shù)值仿真實驗驗證了所設計懸�？刂撇呗杂行院透呔刃�。再次,研究了慢旋非合作目標航天器的主動繞飛避碰控制問題。首先,考慮球形避碰主動繞飛模型,并針對航天器外部擾動上界已知的情況,基于雙曲正切函數(shù)和輔助系統(tǒng),設計了有限時間輸入受限的主動繞飛避碰控制器,解決了存在輸入受限約束條件下的主動繞飛避碰控制問題。并通過結合自適應控制技術,設計了魯棒自適應有限時間輸入受限避碰控制器,解決了航天器外部擾動上界未知情況下的航天器主動繞飛避碰問題;其次,考慮橢球避碰主動繞飛模型,以進一步解決球形碰撞區(qū)域建模情況下無法實現(xiàn)的主動繞飛避碰問題,并基于雙曲正切函數(shù)和改進的滑模面,分別針對外界擾動上界已知和未知的情形設計了漸近收斂的主動繞飛避碰控制器;最后,基于改進的非奇異終端滑模面,針對外界擾動上界已知和未知的情形,分別設計了有限時間收斂的主動繞飛避碰控制器。通過理論分析和數(shù)值仿真實驗驗證了所提出主動繞飛避碰控制策略的正確性和有效性。最后,研究了考慮自主避碰的非合作目標航天器的交會對接控制問題。首先,建立了基于橢圓蔓葉線的避碰模型,并利用勢函數(shù)和滑模控制方法設計了滿足自主避碰約束的非合作交會對接控制器;其次,為了進一步解決姿態(tài)展開問題以及避免碰撞問題,建立了基于旋轉矩陣描述的姿態(tài)軌道耦合相對運動控制模型,并設計了改進的自主避碰交會對接控制器;最后,為了獲得更好閉環(huán)控制效果,提出了有限時間收斂的控制策略,使得被控系統(tǒng)具有有限時間收斂速度和避碰性能。理論證明和數(shù)值仿真結果進一步地驗證了所提出自主避碰交會對接控制器策略的正確性和有效性。
【圖文】：

器軌道坐標系下建立了球形避碰繞飛模型情況，基于雙曲正切函數(shù)，采用有限時間的有限時間主動繞飛避碰控制器；然后，，利用自適應控制，提出了魯棒自適應有。其次，建立了目標航天器體坐標系下的分別針對外界擾動上界已知和未知的情形器；然后，基于新的滑模面設計了一個新奇異終端滑模面，分別針對外界擾動上界斂的主動繞飛避碰控制器。究了非合作目標交會對接中的自主避碰控建立了適用于交會對接的避碰模型；然后姿態(tài)描述為修正羅德里格參數(shù)的姿軌耦合制器。其次，建立了基于旋轉矩陣的航天，，提出了改進的自主避碰交會對接控制器定的姿態(tài)軌道耦合自主避碰交會對接控如圖 1-1 所示。第1章 緒論

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【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V448.2;V526

【參考文獻】

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本文編號：2707790