一种分布式指数时变滑模姿态协同跟踪控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种分布式指数时变滑模姿态协同跟踪控制方法，属于航天器编队飞行【技术领域】。本发明方法通过建立Euler-langrage形式的姿态动力学方程，选取指数时变滑模面函数，针对每个航天器求取其同步期望姿态，按照时变滑模控制器的设计思想，设计分布式姿态协同跟踪控制器使航天器协同跟踪期望姿态，并对外界干扰和惯量不确定具有较强的鲁棒性。与常规滑模控制相比，时变滑模使系统的相轨迹始终位于滑模面上，在编队航天器进行姿态协同过程中，如果通信受到限制需要改变拓扑结构时，仍然能够实现航天器的姿态协同跟踪。
【专利说明】一种分布式指数时变滑模姿态协同跟踪控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种分布式指数时变滑模姿态协同跟踪控制方法，属于航天器编队飞行【技术领域】。
【背景技术】
[0002]航天器姿态协同问题作为编队飞行的一种重要技术，已经成为航天器领域中的一个热点问题。按照产生控制方案的地点的不同，姿态协同控制控制方式可分为集中式控制和分布式控制两种。相比于集中式控制方式，分布式控制则具有控制规律简便，更好的容错能力。分布式控制中，各单星通过对其本身观测的信息和交互通讯获得的数据信息共同来确定控制策略。即使单个卫星失效，系统整体仍然可以保持稳定。另外，群体航天器在进行编队时，受通信的约束，有时需要改变通信关系，如何保证在改变通信关系后仍然能够完成姿态协同也是实际编队过程中需要考虑的问题。
[0003]近几十年来，许多学者针对航天器姿态协同控制问题展开了广泛的研究，提出了许多姿态控制算法，主要包括基于Iyapunov方法的控制，自适应控制,非线性H2Al00及其混合控制，滑模变结构控制以及神经网络控制，模糊控制等。其中，滑模变结构控制理论受到了国内外控制界的普遍重视，滑模变结构控制理论已经被应用到非线性系统，离散系统，分布式参数系统，广义系统，时滞系统及非完整力学系统等众多复杂受控对象。滑模变结构控制理论虽然已经成为一个完整的体系和方法，并且成功应用于许多领域中，但是仍然存在许多待研究，解决，完善的问题。对于卫星编队系统的性能指标，如何设计控制器以及滑动模态，使得系统的指定动态，稳态性能指标能够得到满足也是实际中应该考虑的问题。
【发明内容】
[0004]本发明针对如何设计控制器以加快航天器系统姿态协同跟踪的动态响应，并且能够在改变通信拓扑关系后仍实现姿态的协同一致等问题，结合滑模变结构控制理论，提出一种分布式指数时变滑模姿态协同跟踪控制方法，设计时变滑模控制器，航天器能获取期望姿态信息以及实现变拓扑结构下的姿态协同跟踪，并对外界干扰有全局鲁棒性。
[0005]本发明方法适用于满足如下要求的航天器编队:1、编队航天器是刚体，系统所受到的外界干扰和惯量不确定部分均有界；2、将编队航天器期望姿态设为一个“虚拟领导者”，包括“虚拟领导者”在内的航天器编队系统的通信拓扑存在一个有向生成树，全部或者部分航天器能获取“虚拟领导者”姿态，即使改变通信拓扑结构，该“虚拟领导者”始终是通信拓扑的根节点；3、所有变量都已经过坐标变换到同一坐标系中，航天器之间的相对姿态以及相对姿态角速度用减法直接表示。
[0006]本发明采用的技术方案为:建立Euler-1angrage形式的姿态动力学方程,选取指数时变滑模面函数，针对每个航天器求取其同步期望姿态，按照时变滑模控制器的设计思想，设计分布式姿态协同跟踪控制器使航天器协同跟踪期望姿态，并对外界干扰和惯量不确定具有较强的鲁棒性。[0007]具体包括以下步骤:
[0008]步骤1，以刚性航天器编队为对象，在航天器本体坐标系下建立欧拉-拉格朗日(Eular-1angrage)姿态动力学方程。获取姆个航天器的姿态信息，求取姆个航天器相应的同步期望姿态。具体方法为:
[0009]步骤1.1，建立个体航天器的姿态运动模型。
[0010]编队包括n个航天器，其编号为1，2，…n，代表航天器编队期望姿态的“虚拟领导者”编号为n+1，对于其中第i个航天器(i G 1,2, --?!!)，其姿态动力学和运动学方程如下
所示:
[0011]
【权利要求】
1.分布式指数时变滑模姿态协同跟踪控制方法，其特征在于:具体包括以下步骤:步骤1，以刚性航天器编队为对象，在航天器本体坐标系下建立欧拉一拉格朗日姿态动力学方程；获取每个航天器的姿态信息，求取每个航天器相应的同步期望姿态；具体方法为: 步骤1.1，建立个体航天器的姿态运动模型； 编队包括η个航天器，其编号为1，2，…η，代表航天器编队期望姿态的“虚拟领导者”编号为η+1，对于其中第i个航天器，i e 1,2,…n，其姿态动力学和运动学方程如下所示: Ji e R3x3为第i个航天器的惯量矩阵，并且Ji=Jf+M,,/_表示惯量阵的标称值，AJi表示惯量阵的不确定性；Oi e R3为第i个刚体航天器相对于惯性坐标系的姿态角速度在本体坐标系中的表示，σ i e R3为第i个航天器姿态的修正罗德里格斯参数，Ui, Cli e R3分别表示第i个航天器受到的控制力矩和干扰力矩，(.)x表示向量的反对称矩阵算子；其中: 则其相应的拉格朗日形式的姿态动力学方程为: [Jf (￡T,)it,rG-，τ J=G-1 ( σ i) (Ui+di)，其中 Hi ( σ )是一个正定对称矩阵，且我砍卜地卜,，#,)为反对称矩阵；以G HiH AHpQpgf5八 分别表示6(( )，故(( )，(A )，Δ Hi ( σ Qi (σ,,σ,), (σ,為),AQ1 (σ, 步骤1.2，对于第i个航天器，同步期望姿态of定义如下:
2.根据权利要求1所述的分布式指数时变滑模姿态协同跟踪控制方法，其特征在于:编队航天器是刚体，系统所受到的外界干扰和惯量不确定部分均有界。
3.根据权利要求1所述的分布式指数时变滑模姿态协同跟踪控制方法，其特征在于:编队航天器期望姿态设为“虚拟领导者”，包括“虚拟领导者”在内的航天器编队系统的通信拓扑存在一个有向生成树，全部或者部分航天器能获取“虚拟领导者”姿态，即使改变通信拓扑结构，“虚拟领导者”始终是通信拓扑的根节点。
【文档编号】G05D1/08GK103439975SQ201310404693
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】刘向东, 路平立, 甘超 申请人:北京理工大学