《欠驅動太空飛行器的姿態動力學與控制問題研究》是依託北京航空航天大學，由金磊擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：欠驅動太空飛行器的姿態動力學與控制問題研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：金磊
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
太空飛行器姿態控制系統的正常運行，是太空飛行器順利完成各種飛行任務的根本保證。.而當姿態控制系統的執行機構出現故障只能輸出兩維或一維的控制力矩時，完整驅動太空飛行器將退化為欠驅動太空飛行器。系統地研究欠驅動太空飛行器姿態動力學與控制問題，對於保證太空飛行器正常的姿態控制性能，提高系統可靠性、降低執行機構配置的冗餘度、降低成本等有重要作用。然而，目前關於欠驅動太空飛行器姿態控制的研究還很不充分，且很少考慮到實際工程背景。.本項目主要研究欠驅動太空飛行器的姿態動力學與控制問題。主要研究內容包括：欠驅動太空飛行器的可控性和可鎮定性分析；使用控制力矩陀螺的欠驅動姿態控制器設計；套用欠驅動系統控制理論，解決陀螺群奇異時的操縱問題；欠驅動太空飛行器的姿態機動和跟蹤控制器設計；考慮工程背景的欠驅動太空飛行器姿態控制器設計，如存在干擾和不確定性等。.項目完成後，將大大豐富欠驅動太空飛行器姿態控制方面理論，為太空飛行器姿態控制系統設計提供新的理論和技術基礎。
結題摘要
欠驅動太空飛行器是指執行機構可以提供的控制力矩個數少於太空飛行器姿態運動的自由度數目的太空飛行器。對於單剛體太空飛行器，當其僅受一個或兩個力矩控制時即為欠驅動太空飛行器。欠驅動太空飛行器的運動方程存在非完整約束，具有強非線性特性，這使得其控制問題與完全驅動太空飛行器有本質區別。研究主要包括五個方面，（1）欠驅動太空飛行器的全局與局部可控性、可鎮定性分析；（2）完全避免奇異的冗餘陀螺群操縱律設計；（3）欠驅動太空飛行器的姿態機動和姿態跟蹤控制器設計；（4）(w, z)姿態描述法的套用；（5）實際工程背景下的欠驅動太空飛行器姿態控制。研究對象主要集中在執行機構為推力器、飛輪、動量輪和控制力矩陀螺的情況。具體成果如下：（1） 分析了分別帶有一對、兩對推力器，或者一個、兩個飛輪或陀螺的太空飛行器的姿態的小時間局部可控性（Small-Time Local Controllability, STLC）和可鎮定性，得到了相應的充分條件和必要條件。特別地，對於帶有兩個飛輪或兩個陀螺的太空飛行器，在整星角動量為零的情況下，太空飛行器的姿態可以被時不變分段連續或時變連續反饋控制律鎮定。（2） 在整星零角動量的情況下，提出四元數奇異控制器，分別解決了帶有兩個平行安裝、斜裝陀螺的太空飛行器的姿態穩定與機動控制，在國內外屬首次得到。（3）提出利用陀螺與太空飛行器的組合動力學模型進行姿態控制器設計，分析了由太空飛行器與三個或者三個以上的陀螺組成的組合系統的STLC特性與可鎮定性。研究表明：陀螺的內奇異並不影響組合系統的STLC特性與可鎮定性，這表明為實現三軸姿態穩定，並不需要規避或者脫離陀螺的內奇異，甚至可以接近並在太空飛行器到達期望姿態時，使陀螺群處於內奇異。（4） 針對帶有兩對推力器的太空飛行器，利用微分平滑法設計了可行性機動軌跡，並利用Radau偽譜法設計了時間最優機動軌跡，利用退步控制法設計了非線性姿態跟蹤控制律。（5） 基於(w, z)參數的姿態描述方式，研究了帶有兩個飛輪的太空飛行器的指向穩定控制問題，利用(w, z)參數帶來的運動學方程的解耦特性，分析得到了視線軸的位置，設計了LQR控制器使視線軸穩定到空間中的任意方向。（6）針對帶有兩個飛輪的太空飛行器，提出了使兩個飛輪免於出現轉速飽和的姿態機動控制器。研究了周期干擾力矩和柔性附屬檔案對欠驅動剛體太空飛行器的姿態可控性的影響。針對帶有兩對推力器的太空飛行器，利用退步法分別設計了能抑制外部干擾的角速度穩定控制律和三軸穩定控制律。
