發(fā)布時間：2020-07-11 01:06

【摘要】：隨著人類探索和開發(fā)太空資源需求的日益增加,航天任務(wù)正朝著多樣化和復(fù)雜化的方向發(fā)展。航天器交會作為各種航天任務(wù),如型空間結(jié)構(gòu)的組裝、空間碎片清理、航天器在軌服務(wù)以及空間攻防等中的關(guān)鍵技術(shù),有著十分重要的作用。而在航天器交會技術(shù)領(lǐng)域,航天器位置和姿態(tài)控制方案設(shè)計因其重要性一直是研究的熱點問題。由于太空中存在著各種擾動,且航天器交會任務(wù)對位置和姿態(tài)的控制精度要求較高,再加上交會過程中可能發(fā)生的碰撞和執(zhí)行機構(gòu)障礙等問題,這些都給位置和姿態(tài)控制方案的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。本文以航天器交會任務(wù)為背景,針對航天器位置和姿態(tài)控制方案設(shè)計問題,基于終端滑模技術(shù)分別設(shè)計了相應(yīng)的控制方案。論文的主要研究內(nèi)容如下:首先考慮航天器交會過程中相對位置和相對姿態(tài)運動的建模問題。對于航天器相對位置建模,采用T-H方程描述追蹤航天器和目標(biāo)航天器之間的相對位置運動模型;對于航天器相對姿態(tài)運動建模,利用四元數(shù)描述航天器的相對姿態(tài)。然后針對追蹤航天器的位置控制問題,先是從收斂速度以及控制精度的角度考慮,采用非奇異終端滑模方法設(shè)計了位置跟蹤控制器,并引入正弦函數(shù)避免控制器的奇異問題;進(jìn)而將非奇異終端滑模拓展為固定時間終端滑模,提出了能夠使航天器相對位置在固定時間內(nèi)收斂到平衡點的控制算法;考慮交會過程中的避碰問題,將固定時間終端滑模趨近律與人工勢函數(shù)相結(jié)合,設(shè)計了反饋控制算法。最后針對追蹤航天器的姿態(tài)控制問題,考慮到固定時間終端滑模性能的優(yōu)越性,基于固定時間終端滑模方法設(shè)計姿態(tài)跟蹤控制器;對于執(zhí)行機構(gòu)故障以及干擾上界未知的情況,將固定時間終端滑�？刂坪妥赃m應(yīng)控制相結(jié)合設(shè)計姿態(tài)跟蹤控制器;接著考慮抗退繞問題,引入包含四元數(shù)標(biāo)量的輔助變量并構(gòu)造積分終端滑模,設(shè)計姿態(tài)跟蹤控制器。最后通過數(shù)值仿真驗證上述控制算法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V448.2;V526
【圖文】：

第 1 章 緒 論第1章 緒 論1.1 課題研究的背景和意義近年來航天領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展迅速，為國家安全、經(jīng)濟發(fā)展、科技進(jìn)步以及資源開發(fā)等領(lǐng)域帶來了綜合效益，它的發(fā)展不僅能顯著提升一個國家的綜合國力，也為資源和環(huán)境等世界面臨的共同問題提供了新的解決途徑。航天器交會技術(shù)作為各種航天任務(wù)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，如大型空間結(jié)構(gòu)的組裝，空間碎片清理，航天器在軌服務(wù)以及空間攻防等，一直以來都是研究的熱點問題[1]。所謂的航天器交會指的是兩個航天器在空間中的同一位置，以相同的姿態(tài)會合的過程[2]，這一過程通常涉及追蹤航天器和目標(biāo)航天器，一般來說，目標(biāo)航天器是不可控的，故需要控制追蹤航天器的位置和姿態(tài)以接近目標(biāo)航天器并實現(xiàn)交會。

圖 1-2 “阿波羅號”飛船 圖 1-3“和平號”空間站前蘇聯(lián)于 1967 年進(jìn)行世界上首次航天器自主交會對接任務(wù)[7]，實現(xiàn)了“宇宙”186 號飛船與“宇宙”188 號飛船的交會對接。隨后，在 1971 年至 1986 年期間，前蘇聯(lián)發(fā)射了多個宇宙空間站，并進(jìn)行了數(shù)十次的交會對接任務(wù)。1986 年 1月，前蘇聯(lián)發(fā)射了永久性載人空間站“和平號”，并使用交會對接技術(shù)進(jìn)行了多次在軌組裝。前蘇聯(lián)是實現(xiàn)交會對接任務(wù)最多的國家，極大的促進(jìn)了世界航天技術(shù)的發(fā)展。2000 年 7 月，俄羅斯將“星辰號”服務(wù)艙發(fā)射入軌并成功組裝到國際空間站上，實現(xiàn)了空間站的長期載人。歐洲航天局于 20 世紀(jì) 80 年代開始進(jìn)行交會對接技術(shù)的研究，并成功研制了用于國際空間站后勤補給的 ATV(Automated Transfer Vehicle)飛船[8]，ATV 具有自主交會對接的能力以及很強的運載能力，目前已多次實現(xiàn)與國際空間站的交會對接。

圖 1-2 “阿波羅號”飛船 圖 1-3“和平號”空間站前蘇聯(lián)于 1967 年進(jìn)行世界上首次航天器自主交會對接任務(wù)[7]，實現(xiàn)了“宇宙”186 號飛船與“宇宙”188 號飛船的交會對接。隨后，在 1971 年至 1986 年期間，前蘇聯(lián)發(fā)射了多個宇宙空間站，并進(jìn)行了數(shù)十次的交會對接任務(wù)。1986 年 1月，前蘇聯(lián)發(fā)射了永久性載人空間站“和平號”，并使用交會對接技術(shù)進(jìn)行了多次在軌組裝。前蘇聯(lián)是實現(xiàn)交會對接任務(wù)最多的國家，極大的促進(jìn)了世界航天技術(shù)的發(fā)展。2000 年 7 月，俄羅斯將“星辰號”服務(wù)艙發(fā)射入軌并成功組裝到國際空間站上，實現(xiàn)了空間站的長期載人。歐洲航天局于 20 世紀(jì) 80 年代開始進(jìn)行交會對接技術(shù)的研究，并成功研制了用于國際空間站后勤補給的 ATV(Automated Transfer Vehicle)飛船[8]，ATV 具有自主交會對接的能力以及很強的運載能力，目前已多次實現(xiàn)與國際空間站的交會對接。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

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3 張大偉;宋申民;裴潤;段廣仁;;非合作目標(biāo)自主交會對接的橢圓蔓葉線勢函數(shù)制導(dǎo)[J];宇航學(xué)報;2010年10期

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

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本文編號：2749730