[發明專利]一種小天體探測器繞飛軌道跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202011079369.8
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112214890B
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 姚文龍;楊珂;邵巍;池榮虎
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;青島科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;B64G1/24;G06F119/14
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 郝團代

1.一種小天體探測器繞飛軌道跟蹤控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

步驟1、根據未知擾動的小天體探測器環繞動力學模型，設計非線性擾動觀測器對小天體探測器受到的外部環境擾動進行估計，并觀測其動態特性并補償到控制器：

其中，

為擾動估計值組成的向量；

M為非線性擾動觀測器的中間向量；

Q₁∈R^3×3為正定參數矩陣；

ω表示目標小天體自轉角速度矢量；

v＝[v_x,v_y,v_z]^T表示探測器在小天體中心固連坐標下的速度矢量；

r＝[x,y,z]^T表示探測器在小天體中心固連坐標下的位置矢量；

g(r)表示探測器在對應位置下的引力場；

τ＝[τ₁,τ₂,τ₃]^T表示動態面自適應滑模控制器的輸出，為x，y，z三軸上的控制力加速度τ₁，τ₂，τ₃組成的控制向量；

步驟2、設計自適應律對擾動觀測器輸出的觀測誤差界進行估計：

e_v＝v-v_d；

其中，

e_v為速度誤差矢量；

v_d為探測器的期望速度矢量；

z_d為擾動加速度矢量；

Θ(e_v)＝diag{tanh(e_vx/ε₁),tanh(e_vy/ε₂),tanh(e_vz/ε₃)}∈R³；

ε₁、ε₂、ε₃為可調整的參數；

Γ＝diag{γ₁,γ₂,γ₃}∈R^3×3、Λ＝diag{σ₁,σ₂,σ₃}∈R^3×3均為正定參數對角陣；

為的先驗估計，i＝x,y,z；

為擾動觀測誤差組成的向量；

為擾動觀測誤差的上界組成的向量；

為擾動觀測誤差的上界的估計值組成的向量；

步驟3、通過動態面技術來解決在自適應律設計過程中需要對虛擬控制量進行求導產生的微分爆炸問題：

v_d(0)＝α₁(0)；

其中，

T_L為濾波器時間常數；

α₁為虛擬控制量，α₁的一階低通濾波器輸出為v_d；

v_d(0)為v_d初始值；

α₁(0)為α₁初始值；

步驟4、設計與代替符號函數的雙曲正切函數相結合的控制器：

e_r＝r-r_d；

其中，

r_d為探測器的期望位置矢量；

Θ(e_v)＝diag{tanh(e_vx/ε₁),tanh(e_vy/ε₂),tanh(e_vz/ε₃)}∈R³；

ε₁、ε₂、ε₃為可調整的參數；

Q₃∈R^3×3為正定參數矩陣；

e_r為位置誤差矢量；

步驟5、將動態面自適應滑模控制器的輸出τ作為偽速率調制器的輸入，使得偽速率調制器輸出驅動推力器工作的調諧振蕩脈沖，使推力器在翻滾軸、航向軸、俯仰軸上產生控制力矩抵消干擾力矩，從而有效削弱外部干擾對探測的影響，提高軌道跟蹤控制精度。

2.根據權利要求1所述方法，其特征在于：步驟5的控制律設計如下：

步驟2.1、在傳統反演法步驟4的基礎上選擇李雅普諾夫函數：

對選擇的李雅普諾夫函數兩邊同時關于時間求導：

其中，

Q₂∈R^3×3表示設計的正定矩陣；

假設z_d已知，可設計如下控制律：

可得當滿足下式時，可以保證系統穩定：

其中，Q₃為正定參數對角陣；

步驟2.2、重新定義小天體探測器的速度誤差向量：

e_v＝v-v_d；

采用滑模對控制律進行設計：

其中，

Sgn(e_v)＝diag{sgn(e_vx),sgn(e_vy),sgn(e_vz)}∈R³，sgn(·)為符號函數，e_vi是e_vx軸，y軸，z軸上的分量，i＝x,y,z；

為外部擾動的上界；

進而通過權利要求1中所設計的擾動觀測器將控制律改寫為：

結合雙曲正切函數的自適應律來對控制律進行設計，優化后的控制律如下：