發(fā)布時間：2020-07-28 16:00

【摘要】：登陸月球,探測火星,人類對未知宇宙的探索孜孜不倦;浩瀚星空,神秘銀河,人類對深空探測的熱情方興未艾。隨著深空探測的快速發(fā)展,對深空探測器的姿態(tài)控制要求也越來越高。而深空探測器往往體型龐大,結構復雜,而且工作環(huán)境惡劣,干擾繁多;同時,各工作元件長時間運行很有可能發(fā)生故障,而一旦發(fā)生故障,勢必會對姿態(tài)控制系統(tǒng)產生不良影響,輕則導致控制性能下降,重則導致整個探測任務失敗。因此,為深空探測器設計具有強魯棒性的高精度姿態(tài)容錯控制系統(tǒng)是一項極具挑戰(zhàn)性與研究意義的課題。故本文以深空探測器為研究對象,考慮其受到外界未知干擾影響以及內部存在轉動慣量不確定性,并同時考慮其執(zhí)行機構發(fā)生多重故障與存在安裝偏差的情況,對姿態(tài)控制系統(tǒng)的高精度控制與容錯控制進行了重點研究。首先,介紹了本課題的研究背景與意義,闡述了深空探測的發(fā)展與研究現(xiàn)狀,并系統(tǒng)地概述了深空探測器姿態(tài)控制技術的研究現(xiàn)狀,指出了現(xiàn)有研究方法應用到深空探測器上可能存在的不足之處,并據此確立了本文研究方向與重點。其次,研究了深空探測器姿態(tài)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。其中,首先介紹了深空探測器姿態(tài)描述所需要的常用坐標系,接著對工程應用以及理論研究中常用的姿態(tài)描述方法進行了簡要的介紹,然后在這個基礎上相繼建立起深空探測器的運動學方程以及動力學方程,最后分析了深空探測器姿態(tài)控制系統(tǒng)中常見的故障并對其進行了數(shù)學建模。然后,考慮了深空探測器存在的外界未知干擾與轉動慣量不確定性,分析這兩者對姿態(tài)控制系統(tǒng)控制精度的影響,設計了一種對外部未知干擾以及內部未知擾動具有強魯棒性的高精度姿態(tài)控制器。通過將本文所提出的姿態(tài)控制方法與現(xiàn)有文獻里的姿態(tài)控制方法進行仿真比較,驗證了本文提出的姿態(tài)控制器具有更快的收斂速率與更高的姿態(tài)控制精度。最后,在所設計的高精度姿態(tài)控制器的基礎上,進一步考慮了執(zhí)行機構同時發(fā)生部分失效故障與偏差故障,并且存在安裝偏差下的高精度姿態(tài)容錯控制問題。針對深空探測器反作用飛輪的不確定性,提出了一種新的控制器設計方法,可以處理更大的安裝偏差,同時具有更高的控制精度,并給出了所設計的姿態(tài)容錯控制器的適用范圍,明確了其可以處理的最大安裝偏差。通過與其他姿態(tài)容錯控制方法相比較,表明了所設計的姿態(tài)容錯控制器能夠處理的安裝偏差范圍更大,而且具有更高的控制精度。在仿真驗證中,分別對比了三種故障情況下的控制器性能進行了仿真對比,驗證了所設計的姿態(tài)容錯控制器的有效性及優(yōu)越性。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V448.2
【圖文】：

2) 俄羅斯俄羅斯繼承了前蘇聯(lián)在深空探測領域的絕大部分成果，并且在進入 21 世紀后，制定了以火星探測為核心的一系列深空探測計劃[7]。2005 年，俄羅斯聯(lián)邦政府批準了總經費高達 3000 多億盧布的“2006 — 2040 年俄聯(lián)邦航天發(fā)展規(guī)劃”。該規(guī)劃指出，俄羅斯計劃在 2025 年實現(xiàn)載人登月，2035 年左右實現(xiàn)載人火星探測任務。另外，為了盡快彌補與美國在深空探測領域的差距，俄羅斯積極與歐洲太空局展開合作，力求在深空探測領域取得階段性的成果；同時，俄羅斯還與中國進行合作，共同探索火星。3) 歐空局歐洲太空局，簡稱歐空局，在進入 21 世紀后制定了三個時期的深空探測戰(zhàn)略：在 2010 年之前，發(fā)射火星無人自動探測器；在 2020 — 2025 年間，發(fā)射月球載人飛船，實現(xiàn)載人登月；在 2025 — 2035 年間，發(fā)射火星載人飛船，實現(xiàn)火星登陸考察。2001 年，歐空局制定了名為“曙光”的深空探測計劃，并在 2004 年對外公布了號稱為“歐洲阿波羅計劃”的超大規(guī)模星際探索計劃[8]，該計劃的核心內容是為歐洲各成員國制定了一份實現(xiàn)月球與火星無人探測以及載人登陸的長期戰(zhàn)略，并借此尋求新技術的發(fā)展以應對未來將會出現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)。

態(tài)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型包括姿態(tài)運動學方程與姿態(tài)動力學方程兩方面的內容。在學方程之前，首先需要描述深空探測器在太空中的姿態(tài)。在實際的航天工程中通描述姿態(tài)，而在理論研究中應用比較廣泛的方法則有單位四元數(shù)、羅德里格斯參里格斯參數(shù)等。建立姿態(tài)動力學的數(shù)學模型，可以對深空探測器姿態(tài)運動的分析助，而基于精確的動力學方程設計的姿態(tài)控制器，往往具有比較高的姿態(tài)控制精章的主要內容安排如下：首先介紹了深空探測器姿態(tài)描述所需要的常用坐標系，用以及理論研究中常用的姿態(tài)描述方法進行簡要的介紹，然后相繼建立起深空探動學方程以及姿態(tài)動力學方程，最后分析了深空探測器姿態(tài)控制系統(tǒng)中常見的故了數(shù)學建模。常用坐標系及姿態(tài)描述方法 常用坐標系標系的形式有很多，每一種坐標系都有其特點與適用范圍。為了正確的描述深空，需要至少定義一個參考坐標系與本體坐標系，兩個坐標系的坐標軸之間的角度空探測器的姿態(tài)。下面主要介紹本文中將會用到的幾個坐標系。

深空探測器高精度姿態(tài)容錯控制研究動的影響。如圖 2.1 所示，地心赤道坐標系e i i iO X Y Z 的原點eO 取在地平面與黃道平面的交線指向春分點方向，e iO Z 軸沿地球自轉方向指內，并與其它兩軸構成右手坐標系。道坐標系坐標系簡稱軌道坐標系，是一個以軌道平面與地心定義的坐標系。道平面，坐標原點O為航天器的質心，oOZ 軸指向地心，oOX 軸在向航天器運動的方向，oOY 軸垂直軌道平面與另外兩軸構成右手坐本體坐標系坐標系簡稱本體坐標系，它是一個固連在航天器本體上的坐標系。點O與質心軌道坐標系一致，都位于航天器的質心，其三個坐標軸因此當航天器處在姿態(tài)三軸穩(wěn)定的狀態(tài)時，那么本體坐標系就會與地，本體坐標系的bOX 軸稱為滾動軸，指向航天器的運動方向，O，bOY 軸稱為俯仰軸，與其他兩軸構成右手坐標系，所以航天器繞O稱為滾轉角、俯仰角、偏航角。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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相關博士學位論文 前3條

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相關碩士學位論文 前1條

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本文編號：2773106