本文關(guān)鍵詞：不規(guī)則弱引力場中探測器懸停與附著控制方法研究

  更多相關(guān)文章： 小行星軌道系下的懸停 小行星附著 姿軌六自由度控制 附著制導(dǎo)與軌道控制 控制輸入約束 滑�？刂�

【摘要】：隨著人類探索宇宙的腳步邁出地球,奔向更遙遠(yuǎn)的深空,小行星這個獨(dú)特的群體便進(jìn)入了人類的視野,成功聚焦了世界各國科學(xué)界的目光。對小行星進(jìn)行探測,從進(jìn)化理論研究、地球安全問題、資源開發(fā)利用以及綜合國力的提升等幾個方面講都具有重要的意義。小行星體積小且形狀極其不規(guī)則,導(dǎo)致其附近的引力場微弱且具有十分不規(guī)則的幾何特性,加之太陽及其他大天體的影響,小行星周圍的環(huán)境就成為了太陽系中受攝動最強(qiáng)烈的動力學(xué)環(huán)境之一,這對探測器的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)提出了更高的要求。在過去的幾十年里,國內(nèi)外的研究人員和學(xué)者對小行星不規(guī)則弱引力場中探測器的動力學(xué)、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制問題進(jìn)行了大量研究,已經(jīng)取得很多有價值的成果,但仍存在很大的研究空間,例如不規(guī)則弱引力場中探測器的自主導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制方面的研究還存在很多問題需要探索和解決。本文在973項目“行星表面精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制問題研究(編號:2012CB720000)”子課題“不規(guī)則弱引力場中探測器著陸軌跡魯棒控制方法(編號:2012CB720004D)”的資助下,假設(shè)探測器的軌道信息和姿態(tài)信息可由導(dǎo)航系統(tǒng)精確提供,針對小行星不規(guī)則弱引力場中探測器的懸停姿軌六自由度控制與附著軌道控制方案進(jìn)行了研究。本文的主要研究內(nèi)容與結(jié)果概括如下:首先,根據(jù)懸停與附著任務(wù)特點(diǎn),分別推導(dǎo)了探測器在小行星軌道系下的軌道動力學(xué)方程,小行星固連系下的軌道動力學(xué)方程,以及相對姿態(tài)動力學(xué)方程。對于模型中小行星不規(guī)則引力項的建模,從引力場建模精度與計算速度兩個方面進(jìn)行衡量后,采用計算簡便高效的球諧函數(shù)法計算小行星軌道系方程中的不規(guī)則引力項,采用建模精度高的多面體法計算小行星固連系模型中的不規(guī)則引力項。然后,分別利用滑�？刂坪妥赃m應(yīng)滑�？刂茖π⌒行擒壍老迪绿綔y器的姿軌六自由度懸�？刂品桨高M(jìn)行了研究。目前小行星懸�？刂频难芯慷嗉杏诠踢B系懸停,本部分內(nèi)容針對探測器在小行星軌道系下的懸停控制,同時考慮探測器的軌道運(yùn)動和姿態(tài)調(diào)整,分析了軌道和姿態(tài)運(yùn)動間存在的耦合,利用第2章推導(dǎo)的平移和旋轉(zhuǎn)方程,整理了探測器在小行星軌道系下的姿軌六自由度動力學(xué)方程;先假設(shè)不確定性和外部干擾有界且上界已知,給出了滑模姿軌控制律,并在理論上證明了閉環(huán)控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定,以4769號小行星Castalia為目標(biāo)星進(jìn)行數(shù)值仿真,結(jié)果顯示該方法雖然可以得到比較理想的狀態(tài)誤差曲線,但會導(dǎo)致控制推力和控制力矩的高頻抖振;又在外部干擾上界已知,而不確定性上界未知的假設(shè)下,設(shè)計了自適應(yīng)滑�？刂坡�,利用Lyapunov理論證明了閉環(huán)控制系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定性,仿真時用飽和函數(shù)代替控制律中的符號函數(shù)以改善抖振問題,仿真結(jié)果表明該方法能夠克服多種攝動的影響,在消除探測器的入軌誤差后實現(xiàn)小行星軌道系中姿軌穩(wěn)定懸停。隨后,設(shè)計帶有RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RBFNN)補(bǔ)償器的自適應(yīng)滑�？刂坡蓪刂戚斎胧芟迺r小行星軌道系下探測器懸停的姿軌六自由度控制進(jìn)行了研究�？紤]到實際應(yīng)用中的執(zhí)行器輸出存在大小限制,對前面整理的小行星軌道系姿軌六自由度動力學(xué)方程中控制輸入項進(jìn)行重新定義,引入名義控制作為待設(shè)計量,當(dāng)名義控制值超過容許限值,控制輸入等于容許限值,否則控制輸入等于名義控制值。引入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近名義控制與實際控制的差值,并將估計值反饋到自適應(yīng)滑�？刂坡芍�,通過Lyapunov理論證明了改進(jìn)后的閉環(huán)系統(tǒng)具有漸進(jìn)穩(wěn)定性,仍以Castalia為目標(biāo)星,數(shù)值仿真結(jié)果顯示,RBF補(bǔ)償器展現(xiàn)了良好的逼近能力,與不考慮執(zhí)行器飽和時的控制響應(yīng)曲線相比,狀態(tài)誤差曲線要經(jīng)歷更多波折后開始收斂,仿真結(jié)果驗證了所提控制方案的有效性。最后,設(shè)計基于動態(tài)邊界層的雙RBFNN自適應(yīng)準(zhǔn)滑�？刂坡蓪μ綔y器附著小行星的軌道控制問題進(jìn)行了研究。在第2章給出的小行星固連系下探測器軌道動力學(xué)模型基礎(chǔ)上,增加了對控制輸入受限的考慮,根據(jù)探測器的初末狀態(tài)信息,利用三次多項式規(guī)劃了附著軌道,并利用四面體分割思想對規(guī)劃的附著軌道進(jìn)行了碰撞檢測。對含有受限控制輸入和未建模項的非線性動力學(xué)系統(tǒng),先設(shè)計了雙RBFNN自適應(yīng)滑�？刂坡筛檾M定的下降附著軌道,其中兩個RBFNN分別用來估計未建模加速度項和補(bǔ)償名義控制與實際控制輸入的差值,運(yùn)用Lyapunov理論證明了閉環(huán)控制系統(tǒng)具有漸進(jìn)穩(wěn)定性;考慮到滑�？刂品椒ㄔ趯嶋H應(yīng)用時最大的阻礙來自于符號函數(shù)導(dǎo)致的執(zhí)行機(jī)構(gòu)高頻切換問題,而此前采用邊界層固定的飽和函數(shù)代替符號函數(shù)的抑制抖振策略不僅犧牲了系統(tǒng)魯棒性,還失去了系統(tǒng)可達(dá)性。因此,為改善抖振的同時保證系統(tǒng)可達(dá)性,對原來的控制律進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計了帶有動態(tài)邊界層的雙RBFNN自適應(yīng)準(zhǔn)滑�？刂坡筛櫰谕街壍�,經(jīng)分析給出了保證系統(tǒng)可達(dá)性的條件,數(shù)值仿真結(jié)果驗證了改進(jìn)后控制方案的有效性。此外,多面體法計算小行星引力時計算量較大,而Matlab對循環(huán)語句執(zhí)行效率較低,致使控制系統(tǒng)仿真速度緩慢,因此采用在Matlab中調(diào)用Fortran語言MEX文件的方法計算多面體引力,結(jié)合利用了Matlab與Fortran各自優(yōu)勢的同時,也提高了控制系統(tǒng)仿真速率。
【關(guān)鍵詞】：小行星軌道系下的懸停 小行星附著 姿軌六自由度控制 附著制導(dǎo)與軌道控制 控制輸入約束 滑�？刂�
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V476.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 課題的研究背景及意義11-13
• 1.1.1 課題來源11
• 1.1.2 研究背景及意義11-13
• 1.2 小行星探測控制的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-21
• 1.2.1 小行星不規(guī)則引力場的建模方法14-15
• 1.2.2 不規(guī)則引力場中探測器的懸停/繞飛的軌道控制15-17
• 1.2.3 不規(guī)則弱引力場中探測器的下降附著的軌道控制17-20
• 1.2.4 小行星探測器的姿態(tài)控制和姿軌六自由度控制20-21
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排21-23
• 第2章 不規(guī)則弱引力場中探測器的動力學(xué)模型23-33
• 2.1 引言23
• 2.2 小行星不規(guī)則弱引力場的表征方法23-26
• 2.2.1 球諧級數(shù)展開法23-24
• 2.2.2 多面體法24-26
• 2.3 近小行星探測的相對動力學(xué)方程26-32
• 2.3.1 小行星軌道系下的相對軌道動力學(xué)方程27-30
• 2.3.2 小行星固連系下的相對軌道動力學(xué)方程30
• 2.3.3 相對姿態(tài)動力學(xué)方程30-32
• 2.4 本章小結(jié)32-33
• 第3章 小行星軌道系下的懸停姿軌六自由度控制33-47
• 3.1 引言33
• 3.2 小行星軌道系下的姿軌六自由度方程33-36
• 3.3 基于滑模算法的姿軌六自由度懸�？刂�36-41
• 3.3.1 控制問題描述36-37
• 3.3.2 滑�？刂坡稍O(shè)計37-38
• 3.3.3 數(shù)值仿真與分析38-41
• 3.4 基于自適應(yīng)滑模的姿軌六自由度懸�？刂�41-46
• 3.4.1 自適應(yīng)滑�？刂坡稍O(shè)計41-43
• 3.4.2 數(shù)值仿真與分析43-46
• 3.5 本章小結(jié)46-47
• 第4章 控制輸入受限時軌道系下的懸停姿軌控制47-59
• 4.1 引言47
• 4.2 控制輸入受限時小行星軌道系姿軌六自由度方程47-48
• 4.3 基于帶有RBFNN補(bǔ)償器的自適應(yīng)滑模算法的姿軌控制方案48-52
• 4.3.1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通用逼近特性48-49
• 4.3.2 帶有RBFNN補(bǔ)償器的自適應(yīng)滑�？刂坡�49-52
• 4.4 數(shù)值仿真與分析52-57
• 4.5 本章小結(jié)57-59
• 第5章 探測器附著小行星的制導(dǎo)與軌道控制59-77
• 5.1 引言59-60
• 5.2 控制輸入受限時小行星附著過程的軌道動力學(xué)方程60
• 5.3 下降附著軌跡規(guī)劃與碰撞檢測60-64
• 5.3.1 基于三次多項式法的附著軌跡規(guī)劃61
• 5.3.2 基于四面體分割思想的附著軌道碰撞檢測61-64
• 5.4 下降附著過程的軌跡跟蹤控制律64-68
• 5.4.1 基于雙RBFNN的自適應(yīng)滑�？刂坡�64-66
• 5.4.2 帶有動態(tài)邊界層的雙RBFNN自適應(yīng)準(zhǔn)滑�？刂坡�66-68
• 5.5 數(shù)值仿真分析68-75
• 5.6 本章小結(jié)75-77
• 第6章 全文總結(jié)與展望77-81
• 6.1 全文總結(jié)77-79
• 6.2 研究展望79-81
• 參考文獻(xiàn)81-93
• 作者簡介及在學(xué)期間科研成果93-95
• 致謝95-96

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 沙月;挪威利用月球引力場為住宅供暖[J];建材工業(yè)信息;2003年12期

2 道奇;利用月球引力場為住宅供暖[J];建筑工人;2004年02期

3 夏兆陽;相對論中引力場性質(zhì)研究[J];北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2005年01期

4 陳清禮;嚴(yán)良俊;;基于一種新的物理場的廣義引力場新理論[J];長江大學(xué)學(xué)報(自科版)理工卷;2007年01期

5 王勤 ,陳應(yīng)天;求解光線在弱引力場中偏折的一種方法[J];華中工學(xué)院學(xué)報;1980年01期

6 王繼海;具有引力場的氣體中激波傳播的近似理論[J];爆炸與沖擊;1990年04期

7 童景山,余劍波,高光華;硬球引力場模型分子聚集理論及超臨界流體行為特性的研究[J];工程熱物理學(xué)報;1993年03期

8 王永久;唐智明;;引力場和電磁場的相互作用[J];長沙鐵道學(xué)院學(xué)報;1980年01期

9 朱星星,荊繼良;靜態(tài)各向異性荷電流體內(nèi)部引力場[J];湖南教育學(xué)院學(xué)報;1995年05期

10 鄭宏興;質(zhì)能公式在引力場中的適用性討論[J];寧夏工學(xué)院學(xué)報;1996年04期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 任彥卿;;論引力場與源固連的彈性結(jié)構(gòu)[A];面向21世紀(jì)的科技進(jìn)步與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展（上冊）[C];1999年

2 徐振鐸;崔恩第;;勻速運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)在牛頓引力場中的Appel-Четаев運(yùn)動[A];數(shù)學(xué)·力學(xué)·物理學(xué)·高新技術(shù)研究進(jìn)展——2004（10）卷——中國數(shù)學(xué)力學(xué)物理學(xué)高新技術(shù)交叉研究會第10屆學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2004年

3 王立英;樂小云;于軍力;江興流;周曉平;;常溫等離子體與引力場的作用[A];2006全國荷電粒子源、粒子束學(xué)術(shù)會議論文集[C];2006年

4 高布錫;;月球和巨衛(wèi)星的自轉(zhuǎn),形狀與引力場[A];第十屆全國月球科學(xué)與比較行星學(xué)隕石學(xué)與天體化學(xué)學(xué)術(shù)研討會會議論文集[C];2012年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 記者 操秀英;我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)引力場以光速傳播的首個證據(jù)[N];科技日報;2012年

2 毛亞e，

本文編號：715195