[發(fā)明專利]基于混合整數(shù)二階錐的伴隨衛(wèi)星規(guī)避的控制方法

有效

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• 申請日: 2017-10-18
• 公開（公告）號: CN108286971B
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發(fā)明（設計）人: 胡慶雷;解靜潔;郭雷
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24;G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化的伴隨衛(wèi)星規(guī)避的預測控制方法，包括建立伴隨衛(wèi)星運動預測模型，涉及搜素算法預處理，設計非線性代價函數(shù)，設計衛(wèi)星機動性能約束、推進器約束、規(guī)避約束，將非線性約束轉(zhuǎn)換為線性約束、凸二階錐約束，使用YALMIP算法和MOSEK算法求解器在線優(yōu)化求解等步驟，設計了基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化的迭代算法和變權(quán)重的模型預測控制(MPC)方法，本發(fā)明能夠減少衛(wèi)星規(guī)避過程中的能量消耗、運動時間以及計算量，適用于航天器控制領域中航天器的路徑規(guī)避控制。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及航天器控制技術(shù)領域，具體涉及一種基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化的伴隨衛(wèi)星規(guī)避的預測控制方法，主要應用于航天器路徑規(guī)避控制。

背景技術(shù)

空間站結(jié)構(gòu)龐大，技術(shù)復雜，由于其在軌運行周期長，需要航天員在軌檢查、監(jiān)測與維修，因此，空間站的維修問題成為近幾年航天領域中的新型任務。空間站的構(gòu)建始于上世紀七十年代，其中“和平”號空間站在運行期間出現(xiàn)了上千次故障，由此世界各國相繼研究和探索空間站的維護與開發(fā)，目前已有納米衛(wèi)星以及伴隨衛(wèi)星成功發(fā)射，完成近距離檢測、自主對接、艙外維修等任務。

研發(fā)空間站艙外維修裝置來代替航天員出艙活動，進行設備維護、燃料補給、懸停繞飛、近距離檢查等任務是一項極具挑戰(zhàn)性的難題?？臻g站結(jié)構(gòu)復雜，在軌穩(wěn)定運行需要延長壽命，設備老化發(fā)生故障需要在軌更換，新型伴隨衛(wèi)星的研發(fā)與操控為空間站的持續(xù)運行以及航天員的安全駐留提供了解決途徑，提高了空間站的可靠性、持續(xù)性、操作性。部分衛(wèi)星攜帶有機械臂、機器人來代替航天員進行空間維修任務，增加航天員的安全性，由此可見空間站的維護需要各種衛(wèi)星及替代工具輔助完成。然而，近年來空間對象的增加以及微型飛行物的撞擊，導致空間站設備發(fā)生故障，衛(wèi)星在空間站的飛行路徑設計需要充分考慮安全性，實時進行規(guī)避，現(xiàn)有的針對航天器路徑規(guī)劃的規(guī)避方法有搜索算法、優(yōu)化算法、勢函數(shù)法、概率規(guī)劃等，上述規(guī)避方法在路徑規(guī)劃時無法實時在線規(guī)避，存在局部最優(yōu)解，有一定的技巧性和偶然性，可靠性較低，無法獲得滿意的規(guī)劃效果以及實用性較差，本發(fā)明結(jié)合了模型預測控制與混合整數(shù)二階錐約束非線性規(guī)劃，根據(jù)空間站構(gòu)型設計了迭代求解的優(yōu)化方法，取得了較好的實時規(guī)避路徑，同時增加了工程實用性。

除此之外，在模型預測控制方面，所用的代價函數(shù)多為線性形式和二次形式，而本發(fā)明中采用基于實際過程的性能函數(shù)與二次形式相結(jié)合，建立了非線性代價函數(shù)，設計了實時改變的權(quán)重系數(shù)，實現(xiàn)了多目標優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化的伴隨衛(wèi)星規(guī)避的預測控制方法，解決伴隨衛(wèi)星維修空間站并進行規(guī)避的問題，為了實現(xiàn)能量消耗小、時間短的多目標優(yōu)化任務，通過一種模型預測控制與混合整數(shù)二階錐約束非線性規(guī)劃相結(jié)合的優(yōu)化方法，設計了權(quán)重系數(shù)實時改變的非線性代價函數(shù)，從而達到了多目標優(yōu)化的性能，減少在線計算量，降低能量消耗，除此之外，設計了二階錐優(yōu)化的迭代求解法，使得衛(wèi)星躲避障礙物，安全可靠的到達目標點。

本發(fā)明提供了一種基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化的伴隨衛(wèi)星規(guī)避的預測控制方法，包括以下步驟：

(1)基于伴隨衛(wèi)星相對空間站運動的非線性軌道模型建立MPC的預測模型；

(2)基于伴隨衛(wèi)星軌道運動的機動性能，結(jié)合A*搜索算法對規(guī)避路徑進行預處理；

(3)基于步驟(1)建立的伴隨衛(wèi)星相對空間站運動的非線性軌道模型建立MPC的預測模型設計模型預測控制器的代價函數(shù)；

(4)基于步驟(3)中的模型預測控制器的代價函數(shù)構(gòu)造衛(wèi)星的機動性能約束、推進器約束、規(guī)避約束，使用YALMIP算法和MOSEK算法求解器進行求解，使得伴隨衛(wèi)星能夠安全到達目標點完成空間任務。

進一步地，所述步驟(3)中代價函數(shù)包含二次形式和變權(quán)重的非線性形式。

進一步地，所述步驟(1)的基于伴隨衛(wèi)星相對空間站運動的非線性軌道模型建立MPC的預測模型的具體步驟如下：