[發明專利]考慮矩形視場的目標區域規避相對位姿一體化控制

有效

• 申請號: 202011423387.3
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112572834B
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 郭延寧;王靚玥;馬廣富;呂躍勇
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 代理公司: 哈爾濱華夏松花江知識產權代理有限公司 23213
• 代理人: 岳昕

本發明公開了一種考慮矩形視場的目標區域規避相對位姿一體化控制方法，涉及航天器在軌服務領域。本發明為了解決機動的可行空間較小問題，同時實現對航天器控制的優化，通過考慮航天器敏感器的實際四棱錐視場，最大程度的構建視場真實模型，建立相對位姿一體化運動學模型，構建約束姿態和禁止區域兩種約束，分別設計吸引勢函數和排斥勢函數，使得系統狀態在整個逼近的機動過程中滿足約束姿態、禁止區域約束；設計位姿一體化控制律實現服務航天器逼近目標航天器的過程中能夠到達期望位置的同時持續觀測目標航天器以及規避目標航天器的探測。本發明適用于航天器在軌觀測及規避的應用。

技術領域

本發明涉及一種航天器中考慮矩形視場的目標區域規避相對位姿一體化控制方法。屬于空間在軌服務技術領域。

背景技術

隨著航天技術的蓬勃發展，數以萬計形態各異的航天器發射升空，為更為高效合理地利用空間環境以及有效迅速地占領空間資源，各國的在軌服務和空間攻防水平日益提升。作為在軌服務、碎片清除等航天任務的關鍵一環，服務航天器逼近目標航天器階段得到了廣泛的關注和研究，針對目標航天器可見、規避目標航天器視線區域等多約束需求，各國學者對建立服務航天器與空間目標位姿耦合非線性多約束相對模型以及設計通用的多約束相對位姿一體化控制方法開展了研究。

航天器的軌道和姿態通常分別采用獨立的控制方式，然而考慮多種約束的逼近段軌道和姿態動力學具有強耦合特性，為實現滿意的控制效果，采用位姿一體化控制進行系統設計。首先建立航天器六自由度模型，并根據不同的具體任務設計提出不同控制算法。目前，航天器六自由度建模思想主要分為兩類，第一類分別將航天器的姿態模型和位置模型轉化為標準歐拉—拉格朗日模型，并進行并聯組合變化得到增廣的六自由度模型。受新興的描述六自由度運動方法—對偶四元數的啟發，第二類方法建立基于對偶四元數參數化的六自由度模型，充分考慮位姿間的耦合。

目前控制律方案中在對目標區域規避過程導致的約束姿態和禁止區域等約束常構建圓錐形狀的視線范圍進行建模。服務航天器和目標航天器敏感器的視線范圍簡化為圓錐，即視線邊緣與視線中心的夾角始終為一固定角度，通過兩航天器相對位置向量與視線中心夾角與該固定角度的關系建立約束模型。約束姿態約束要求夾角小于該固定角度，而禁止區域約束要求夾角大于該固定角度。按照圓錐構建的約束模型結構簡單、設計清晰。然而，實際敏感器多為相機，實際視場范圍為四棱錐。若將其以視線邊緣簡化為圓錐模型，對于約束姿態視線范圍為該四棱錐的最大內切錐，對于禁止區域約束視線范圍為四棱錐的最小外接錐。當四棱錐的底面為長寬差距較大的矩形時，內切錐將在底面矩形長邊的方向忽略較大的視線范圍，而外接錐將在短邊的方向添加多余的視線范圍。約束姿態的內切錐簡化以及禁止區域外接錐的簡化都將擴大系統狀態的約束范圍，減小機動的可行空間。當逼近過程中約束較多或敏感器視線范圍較大時，將造成系統狀態的可行區域很小甚至沒有可行區域的后果。同時，會對控制效果以及控制時間造成一定影響。

此外，目前針對服務航天器逼近目標航天器過程中的多種約束進行了研究，考慮了包括在目標持續可見、服務航天器持續可見、服務航天器不可見等多種約束，但有關同時考慮約束姿態和禁止區域約束的逼近過程研究較少。并且，針對此兩種約束構建的勢函數不是凸勢函數，導致機動的期望位置不是設計勢函數的唯一極小值。當初始、期望狀態和控制參數選取不當時，會造成逼近的機動過程中系統狀態會陷入勢函數的局部極小值，而不能完成控制目標。

發明內容

本發明考慮航天器的敏感器矩形視場，解決系統狀態的約束范圍較大，導致機動的可行空間較小問題，同時實現對航天器控制的優化。現提供考慮矩形視場的目標區域規避相對位姿一體化控制方法。

對考慮矩形視場的目標區域規避相對位姿一體化控制方法進行如下描述：

步驟1、建立地心慣性坐標系、服務航天器本體坐標系與目標航天器本體坐標系；

步驟2、建立服務航天器相對于目標航天器的相對位姿一體化模型；