本文關(guān)鍵詞：基于代數(shù)圖論的多航天器編隊協(xié)同控制方法研究

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【摘要】：為了滿足黑洞事件視界(Event Horizon)和類地行星探測等空間任務(wù)需求,諸如深空光學(xué)干涉儀等編隊飛行任務(wù)需要多達數(shù)十乃至數(shù)百顆航天器的協(xié)同工作才能完成。協(xié)同控制是完成多航天器編隊在軌任務(wù)的基本保證,其實現(xiàn)基礎(chǔ)為星間的協(xié)同信息共享。受航天器敏感器視場、通信帶寬和范圍的限制,以及空間相互遮擋、電磁和力學(xué)環(huán)境的影響,以光學(xué)測量或星間通信為手段的星間信息共享鏈路呈現(xiàn)單向、稀疏以及不可靠等特性。這種受限的信息共享條件不僅限制了航天器編隊協(xié)同的方式,還會影響其協(xié)同能力,甚至?xí)茐木庩犗到y(tǒng)的穩(wěn)定性,因此成為未來多航天器編隊飛行任務(wù)亟需考慮的問題。本學(xué)位論文以信息共享受限的多航天器編隊飛行為背景,結(jié)合近年來興起的多智能體一致性理論,以代數(shù)圖論為工具分別對其軌道和姿態(tài)的協(xié)同控制問題進行深入研究,側(cè)重分析信息共享受限條件下的編隊穩(wěn)定性和協(xié)同能力,為進一步的編隊信息拓?fù)湓O(shè)計和協(xié)同控制提供參考。具體研究內(nèi)容如下:對于深空多航天器編隊系統(tǒng),在信息共享受限條件下對其相對軌道施加控制以維持穩(wěn)定的幾何構(gòu)形是編隊任務(wù)順利完成的必要條件。針對處于日-地/月系L2平動點的多航天器編隊系統(tǒng),考慮其相對狀態(tài)測量的單向性以及編隊信息拓?fù)涞南∈韬蜁r變性,首先提出了兩跳鄰居信息共享方案,設(shè)計了基于相對狀態(tài)反饋的軌道協(xié)同控制算法,利用代數(shù)圖論和矩陣特征值理論分別分析了固定有向拓?fù)洹r變拓?fù)浜洼斎霑r延情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性,結(jié)果表明:在無時延或有限時延時,可實現(xiàn)編隊協(xié)同的條件是信息拓?fù)浯嬖谝豢糜邢蛏蓸�。為增強編隊對時變拓?fù)涞聂敯粜?克服前述控制器對兩跳鄰居信息路由的需求,進一步提出了基于最近鄰的分布式軌道協(xié)同控制算法,利用等價坐標(biāo)變換將相應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成為指數(shù)穩(wěn)定系統(tǒng)和一階一致性算法組成的串級系統(tǒng),進而基于一階一致性理論分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性及其對時變拓?fù)涞聂敯粜�。結(jié)果表明:編隊在信息拓?fù)錇橐恢聰M強連通圖時即可實現(xiàn)協(xié)同,且系統(tǒng)穩(wěn)定對控制器參數(shù)的約束條件與信息拓?fù)錈o關(guān),從而增強了控制算法對信息拓?fù)淝袚Q的魯棒性。此外,進一步給出了其控制輸出的幅值上界,為控制輸入受限情況下的控制器參數(shù)設(shè)計提供參考依據(jù)。為完成波束同步或分布式光學(xué)干涉成像等任務(wù),成員航天器間的相對姿態(tài)協(xié)同控制是必須解決的問題。針對使用星間通信實現(xiàn)姿態(tài)信息共享的多航天器編隊系統(tǒng),考慮到星間通信的單向、稀疏和時變特性,首先在網(wǎng)絡(luò)化Euler-Lagrange系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上分別基于一階一致性算法和二階一致性算法設(shè)計了自適應(yīng)姿態(tài)協(xié)同控制器,論證了其在有向通信網(wǎng)絡(luò)特別是一致擬強連通的時變通信網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)同能力,給出了模型參數(shù)存在不確定性情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性條件。在此基礎(chǔ)上,利用Euler-Lagrange方程及其屬性進一步提出了一個一般性的航天器姿態(tài)協(xié)同控制器設(shè)計框架,基于積分輸入狀態(tài)穩(wěn)定(i ISS)和集合穩(wěn)定性理論證明了姿態(tài)協(xié)同控制器設(shè)計與該框架下的一致性算法設(shè)計問題等價,從而將航天器編隊姿態(tài)協(xié)同問題轉(zhuǎn)化為與其非線性動力學(xué)無關(guān)的一致性算法設(shè)計問題,實現(xiàn)了姿態(tài)協(xié)同控制器設(shè)計過程中信息共享受限約束與節(jié)點動力學(xué)非線性約束的分離,可基于此框架并利用線性節(jié)點動力學(xué)模型重點研究信息共享拓?fù)浼捌浼s束對多航天器姿態(tài)協(xié)同控制的影響。分別將有/無領(lǐng)導(dǎo)者的一階一致性算法代入此框架,得到了兩個與傳統(tǒng)設(shè)計方法所得結(jié)果一致的姿態(tài)協(xié)同控制算法,從而驗證了所提出的一般性設(shè)計框架的有效性。多航天器編隊系統(tǒng)的陀螺故障概率增加,同時受成本限制,難以也無需為編隊中的每個成員航天器配備高精度陀螺。為此,提出了多種針對信息共享受限且無角速度反饋約束的多航天器編隊姿態(tài)協(xié)同控制算法。首先,結(jié)合前饋和反饋控制策略,采用超前濾波設(shè)計了基于四元數(shù)的姿態(tài)輸出反饋協(xié)同控制器,論證了閉環(huán)系統(tǒng)在參考姿態(tài)全局可知或信息拓?fù)錇闊o向樹時的全局漸近穩(wěn)定特性,并使用La Salle不變集原理推導(dǎo)了其約簡屬性。而后,以無冗余的修正羅德里格斯參數(shù)(MRPs)為姿態(tài)描述工具,基于Euler-Lagrange系統(tǒng)給出了一個模型獨立的動態(tài)輸出反饋調(diào)節(jié)器,利用齊次理論和代數(shù)圖論嚴(yán)格分析了其有限時間穩(wěn)定特性,并在此基礎(chǔ)上利用雙曲正切函數(shù)提出了一個改進的幅值有界姿態(tài)協(xié)同控制器,以解決執(zhí)行機構(gòu)飽和問題。最后,利用數(shù)值仿真對前述控制器的有效性進行了驗證。
【關(guān)鍵詞】：多航天器編隊飛行 協(xié)同控制 一致性 姿態(tài)協(xié)同 代數(shù)圖論 網(wǎng)絡(luò)化Euler-Lagrange系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 課題背景及研究的目的與意義12-13
• 1.1.1 課題來源12
• 1.1.2 課題研究的目的和意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析13-24
• 1.2.1 多航天器深空編隊飛行任務(wù)13-16
• 1.2.2 航天器編隊協(xié)同控制策略16-18
• 1.2.3 多智能體一致性及其研究現(xiàn)狀18-21
• 1.2.4 基于一致性的多航天器編隊協(xié)同控制研究現(xiàn)狀21-24
• 1.3 論文的主要研究內(nèi)容24-26
• 第2章 多航天器協(xié)同控制基礎(chǔ)理論26-43
• 2.1 引言26
• 2.2 代數(shù)圖論26-30
• 2.2.1 圖的基本概念26-29
• 2.2.2 圖的矩陣描述29-30
• 2.3 穩(wěn)定性理論30-34
• 2.3.1 微分方程的解及其穩(wěn)定性30-31
• 2.3.2 Lyapunov穩(wěn)定性理論31-34
• 2.3.3 La Salle不變集原理及Barbalat引理34
• 2.4 日-地/月系L2平動點航天器編隊相對軌道運動方程34-38
• 2.4.1 圓形限制性三體問題34-36
• 2.4.2 日-地/月系L2平動點編隊相對運動動力學(xué)模型36-38
• 2.5 航天器姿態(tài)運動38-41
• 2.5.1 姿態(tài)描述方式38-40
• 2.5.2 姿態(tài)運動學(xué)方程40
• 2.5.3 姿態(tài)動力學(xué)方程40-41
• 2.6 其它概念和結(jié)論41-42
• 2.7 本章小結(jié)42-43
• 第3章 信息受限條件下的分布式軌道協(xié)同控制方法43-81
• 3.1 引言43-44
• 3.2 基于兩跳鄰居信息共享的軌道協(xié)同控制算法44-66
• 3.2.1 控制器設(shè)計與穩(wěn)定性分析45-49
• 3.2.2 對輸入時延的魯棒性分析49-52
• 3.2.3 對時變信息拓?fù)涞聂敯粜苑治?/span>52-54
• 3.2.4 仿真結(jié)果及分析54-66
• 3.3 基于最近鄰信息共享的軌道協(xié)同控制算法66-79
• 3.3.1 控制器設(shè)計與穩(wěn)定性分析67-71
• 3.3.2 仿真結(jié)果及分析71-79
• 3.4 本章小結(jié)79-81
• 第4章 面向有向通信拓?fù)涞淖藨B(tài)狀態(tài)反饋協(xié)同控制81-121
• 4.1 引言81-82
• 4.2 問題描述82-84
• 4.3 基于固定通信拓?fù)涞淖赃m應(yīng)姿態(tài)協(xié)同控制84-95
• 4.3.1 控制器設(shè)計與穩(wěn)定性分析84-87
• 4.3.2 對時變拓?fù)涞聂敯粜苑治?/span>87-90
• 4.3.3 仿真結(jié)果及分析90-95
• 4.4 基于切換通信拓?fù)涞淖赃m應(yīng)姿態(tài)協(xié)同控制95-105
• 4.4.1 控制器設(shè)計與穩(wěn)定性分析95-99
• 4.4.2 仿真結(jié)果與分析99-105
• 4.5 基于一般一致性算法的姿態(tài)協(xié)同控制器設(shè)計105-119
• 4.5.1 集合穩(wěn)定性相關(guān)概念與有用引理106-108
• 4.5.2 基于一致性算法的通用姿態(tài)協(xié)同控制器設(shè)計方法108-115
• 4.5.3 基于一致性算法的姿態(tài)協(xié)同控制器設(shè)計實例115-119
• 4.6 本章小結(jié)119-121
• 第5章 面向無向拓?fù)涞臒o角速度反饋姿態(tài)協(xié)同控制121-143
• 5.1 引言121-122
• 5.2 基于四元數(shù)的無角速度反饋姿態(tài)協(xié)同控制122-129
• 5.2.1 相對姿態(tài)運動及誤差動力學(xué)方程122-123
• 5.2.2 控制器設(shè)計及穩(wěn)定性分析123-127
• 5.2.3 仿真結(jié)果與分析127-129
• 5.3 基于MRPs的無角速度反饋姿態(tài)有限時間協(xié)同控制129-141
• 5.3.1 無限幅姿態(tài)協(xié)同控制器130-134
• 5.3.2 改進的有界姿態(tài)協(xié)同控制器134-137
• 5.3.3 仿真結(jié)果與分析137-141
• 5.4 本章小結(jié)141-143
• 結(jié)論143-146
• 參考文獻146-159
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果159-161
• 致謝161-162
• 個人簡歷162

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 MIN Hai-Bo;LIU Zhi-Guo;LIU Yuan;WANG Shi-Cheng;YANG Yan-Li;;切換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎翬uler-Lagrange系統(tǒng)的分布式協(xié)調(diào)控制(英文)[J];自動化學(xué)報;2013年07期

2 高有濤;陸宇平;徐波;;基于角速度觀測器的衛(wèi)星編隊飛行相對姿態(tài)控制技術(shù)[J];宇航學(xué)報;2010年07期

3 張博;羅建軍;袁建平;;多航天器編隊在軌自主協(xié)同控制研究[J];宇航學(xué)報;2010年01期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 靳爾東;航天器編隊姿態(tài)協(xié)同控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

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本文編號：721280