[發(fā)明專利]一種考慮姿態(tài)約束與抗退繞的航天器姿態(tài)機(jī)動控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710521561.X
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107168357B
• 公開（公告）日: 2018-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡慶雷;池碧茹;王陳亮;郭雷
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;顧煒

1.一種考慮姿態(tài)約束與抗退繞的航天器姿態(tài)機(jī)動控制方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)基于航天器姿態(tài)動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)模型建立航天器姿態(tài)機(jī)動控制系統(tǒng)模型；

(2)基于步驟(1)建立的航天器姿態(tài)機(jī)動控制系統(tǒng)模型，根據(jù)要求的禁止姿態(tài)集，設(shè)計抗退繞規(guī)避勢函數(shù)；

(3)在步驟(2)設(shè)計的抗退繞規(guī)避勢函數(shù)的基礎(chǔ)上，對于步驟(1)建立的航天器姿態(tài)機(jī)動控制系統(tǒng)模型，設(shè)計系統(tǒng)的控制律，實(shí)現(xiàn)航天器的姿態(tài)機(jī)動控制；

所述步驟(1)中建立的航天器姿態(tài)動力學(xué)方程為：

其中，J表示航天器的轉(zhuǎn)動慣量矩陣，為3×3的對稱矩陣；ω＝[ω₁,ω₂,ω₃]^T表示航天器在本體坐標(biāo)系下相對于慣性坐標(biāo)系的角速度，ω₁,ω₂,ω₃分別為衛(wèi)星的橫滾角速度、偏航角速度以及俯仰角速度；表示航天器的角加速度矢量；τ＝[τ₁,τ₂,τ₃]^T表示系統(tǒng)的控制律，τ₁,τ₂,τ₃分別為航天器本體軸向上執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供的實(shí)際控制力矩；(·)^×表示一類斜對稱矩陣，其形式如下：

航天器的運(yùn)動學(xué)方程為：

其中，Q＝[q₁,q₂,q₃,q₀]^T＝[q^T,q₀]^T為四元數(shù)定義的航天器的姿態(tài)，為四元數(shù)的標(biāo)量部分，其中θ為航天器繞歐拉軸轉(zhuǎn)過的角度，q＝[q₁,q₂,q₃]^T表示四元數(shù)的向量部分，其中e₁,e₂,e₃表示歐拉軸三個方向上的旋轉(zhuǎn)軸，且滿足即||Q||²＝1；公式中I是3×3的單位陣，q^×表示關(guān)于四元數(shù)向量部分的一類斜對稱矩陣，其形式為：

所述步驟(2)中，設(shè)計的抗退繞規(guī)避勢函數(shù)為：

其中，α,β為正常數(shù)；q_e0為誤差四元數(shù)的標(biāo)量部分，誤差四元數(shù)Q_e定義為Q_d＝[q_d^T,q_d0]^T為目標(biāo)四元數(shù)，q_d為目標(biāo)四元數(shù)的向量部分，q_d0為目標(biāo)四元數(shù)的標(biāo)量部分，Q_d^*＝[-q_d^T,q_d0]為目標(biāo)四元數(shù)的共軛四元數(shù)，q_e為誤差四元數(shù)的向量部分；表示四元數(shù)乘法，表達(dá)式為其中Q_a＝[q_a^T,q_a0]^T，Q_b＝[q_b^T,q_b0]^T均為四元數(shù)，q_a,q_b為四元數(shù)向量部分，q_a0,q_b0為四元數(shù)標(biāo)量部分；M_i為與航天器視軸矢量和禁止姿態(tài)有關(guān)的矩陣；

所述步驟(3)中設(shè)計的系統(tǒng)控制律如下：

其中，k₁,k₂均為控制律參數(shù)且為正常數(shù)；為勢函數(shù)V_r關(guān)于Q的偏導(dǎo)，為 的共軛，定義為Vec(·)表示取四元數(shù)的向量部分，為3×1的向量；s為滑模面，定義為s＝ω+k_parctan(k²q_e)，ω為航天器角速度，k_p為滑模面參數(shù)且為正的常數(shù)，q_e為誤差四元數(shù)的向量部分，更新參數(shù)k滿足更新律且其值為有界非負(fù)數(shù)，γ_k為更新律參數(shù)且為正的常數(shù)，定義arctan(k²q_e)＝[arctan(k²q_e1),arctan(k²q_e2),arctan(k²q_e3)]^T，其中arctan(k²q_e1),arctan(k²q_e2),arctan(k²q_e3)為分別關(guān)于誤差四元數(shù)向量q_e分量q_e1,q_e2,q_e3的反三角函數(shù)；定義tanh(s)的形式為tanh(s)＝[tanh(s₁),tanh(s₂),tanh(s₃)]^T，tanh(s₁),tanh(s₂),tanh(s₃)為分別關(guān)于滑模面s分量s₁,s₂,s₃的雙曲正切函數(shù)。