太空飛行器大規模集群飛行的分散式協調控制方法研究

《太空飛行器大規模集群飛行的分散式協調控制方法研究》是依託中南大學，由陳琪鋒擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：太空飛行器大規模集群飛行的分散式協調控制方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳琪鋒
• 依託單位：中南大學

項目摘要

下一代包含幾十、上百個太空飛行器的大規模集群任務，如稀疏孔徑觀測、小行星帶資源探測等，將極大提升人類探索和利用空間的能力。集群運動協調控制是這類任務實現的基礎，其燃料消耗和燃料平衡性能制約了任務壽命。太空飛行器大規模集群飛行，其協調控制問題規模龐大，且受太空飛行器感知、通信和計算能力限制不能及時全局互動，使當前僅考慮少量太空飛行器的編隊飛行協調控制方法難以套用。本項目針對太空飛行器大規模集群質心運動的關鍵協調控制問題，提出嚴格構形保持的虛擬彈簧阻尼網路方法，容許整體漂移而降低燃耗，按燃料餘量調整控制力來實現燃料平衡；提出基於分散式連通性控制的集群鬆散伴飛維持方法，僅保留連通性這一最少約束來減少燃耗，在連線切換和維持中兼顧燃料平衡；提出基於多學科設計最佳化的集群最優機動分散式規劃方法，能利用集群計算資源以較小通信開銷分散式求解最優控制。研究將為太空飛行器大規模集群飛行提供理論與方法基礎，促進革命性集群空間任務的實現。

結題摘要

未來革命性的航天任務提出了太空飛行器大規模集群飛行的套用需求。集群運動協調控制是這些任務的基礎性技術。針對太空飛行器大規模集群構形控制、集群長期鬆散相伴飛行維持和構形最優機動規劃開展研究。 提出了基於虛擬彈簧阻尼網路的分散式控制方法，以虛擬的彈簧阻尼器連線太空飛行器，以網路連線的虛擬力的合力為依據產生太空飛行器的控制推力。僅依賴太空飛行器間相對運動測量信息和鄰居太空飛行器間的局部互動來實現全局構形控制。在虛擬彈簧阻尼網路控制中集成了碰撞避免機制、拓撲結構切換機制，研究了固定構形控制、時變構形跟蹤和構形形狀控制等問題。分別針對常用的太空飛行器線性相對運動模型和帶攝動的引力場非線性模型，利用代數圖論、能量方法、切換系統理論等工具從理論上證明了閉環系統的收斂性，導出了穩定性條件，獲得了穩態相對運動誤差和控制加速度的近似表達式。給出了一種分散式拓撲結構切換準則，使集群能分散式地切換到幾何性能更為有利的拓撲連線，並保證切換過程中系統收斂性。理論分析和仿真驗證表明，通過增大彈性係數可以使穩態誤差充分小，而不會增加控制加速度和燃料消耗。該方法產生的控制力相對集群而言為內力，適用於靜電庫侖力、電磁力、光壓力、繫繩張力等基於內力的新型執行機構，可實現無需燃料消耗的構形保持。 開展了太空飛行器集群分散式連通性控制的探索，研究了基於升交點赤經匹配、基於平根數匹配和衝量控制的太空飛行器集群長期相伴飛行的維持方法，從動力學機理上為太空飛行器集群長期相伴飛行提供了依據。 提出了一種太空飛行器集群構形最優機動分散式協同規劃方法，採用“分而治之”的求解策略有效降低了問題求解的複雜性，採用回響面代理模型實現頂層規劃和底層規劃之間的協同，採用重點探索有價值區域的疊代求解方式節省計算開銷，通過集群並行計算求解縮短計算時間，為複雜的太空飛行器大規模集群構形最優機動問題提供了求解方案。 項目研究為太空飛行器大規模集群的工程實現提供了運動協調控制的理論與方法基礎。