[發明專利]一種分布式指數時變滑模姿態協同跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 201310404693.6
• 申請日: 2013-09-09
• 公開（公告）號: CN103439975A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 劉向東;路平立;甘超
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種分布式指數時變滑模姿態協同跟蹤控制方法，屬于航天器編隊飛行技術領域。

背景技術

航天器姿態協同問題作為編隊飛行的一種重要技術，已經成為航天器領域中的一個熱點問題。按照產生控制方案的地點的不同，姿態協同控制控制方式可分為集中式控制和分布式控制兩種。相比于集中式控制方式，分布式控制則具有控制規律簡便，更好的容錯能力。分布式控制中，各單星通過對其本身觀測的信息和交互通訊獲得的數據信息共同來確定控制策略。即使單個衛星失效，系統整體仍然可以保持穩定。另外，群體航天器在進行編隊時，受通信的約束，有時需要改變通信關系，如何保證在改變通信關系后仍然能夠完成姿態協同也是實際編隊過程中需要考慮的問題。

近幾十年來，許多學者針對航天器姿態協同控制問題展開了廣泛的研究，提出了許多姿態控制算法，主要包括基于lyapunov方法的控制，自適應控制，非線性H₂/H_∞及其混合控制，滑模變結構控制以及神經網絡控制，模糊控制等。其中，滑模變結構控制理論受到了國內外控制界的普遍重視，滑模變結構控制理論已經被應用到非線性系統，離散系統，分布式參數系統，廣義系統，時滯系統及非完整力學系統等眾多復雜受控對象。滑模變結構控制理論雖然已經成為一個完整的體系和方法，并且成功應用于許多領域中，但是仍然存在許多待研究，解決，完善的問題。對于衛星編隊系統的性能指標，如何設計控制器以及滑動模態，使得系統的指定動態，穩態性能指標能夠得到滿足也是實際中應該考慮的問題。

發明內容

本發明針對如何設計控制器以加快航天器系統姿態協同跟蹤的動態響應，并且能夠在改變通信拓撲關系后仍實現姿態的協同一致等問題，結合滑模變結構控制理論，提出一種分布式指數時變滑模姿態協同跟蹤控制方法，設計時變滑模控制器，航天器能獲取期望姿態信息以及實現變拓撲結構下的姿態協同跟蹤，并對外界干擾有全局魯棒性。

本發明方法適用于滿足如下要求的航天器編隊：1、編隊航天器是剛體，系統所受到的外界干擾和慣量不確定部分均有界；2、將編隊航天器期望姿態設為一個“虛擬領導者”，包括“虛擬領導者”在內的航天器編隊系統的通信拓撲存在一個有向生成樹，全部或者部分航天器能獲取“虛擬領導者”姿態，即使改變通信拓撲結構，該“虛擬領導者”始終是通信拓撲的根節點；3、所有變量都已經過坐標變換到同一坐標系中，航天器之間的相對姿態以及相對姿態角速度用減法直接表示。

本發明采用的技術方案為：建立Euler-langrage形式的姿態動力學方程，選取指數時變滑模面函數，針對每個航天器求取其同步期望姿態，按照時變滑模控制器的設計思想，設計分布式姿態協同跟蹤控制器使航天器協同跟蹤期望姿態，并對外界干擾和慣量不確定具有較強的魯棒性。

具體包括以下步驟：

步驟1，以剛性航天器編隊為對象，在航天器本體坐標系下建立歐拉-拉格朗日(Eular-langrage)姿態動力學方程。獲取每個航天器的姿態信息，求取每個航天器相應的同步期望姿態。具體方法為：

步驟1.1，建立個體航天器的姿態運動模型。

編隊包括n個航天器，其編號為1，2，…n，代表航天器編隊期望姿態的“虛擬領導者”編號為n+1，對于其中第i個航天器(i∈1，2，…n)，其姿態動力學和運動學方程如下所示：

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