本文關(guān)鍵詞：基于代數(shù)圖論的多航天器編隊(duì)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(duì)飛行任務(wù)需要多達(dá)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(duì)在軌任務(wù)的基本保證,其實(shí)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?xiàng)l件不僅限制了航天器編隊(duì)協(xié)同的方式,還會(huì)影響其協(xié)同能力,甚至?xí)茐木庩?duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此成為未來多航天器編隊(duì)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(duì)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(jìn)行深入研究,側(cè)重分析信息共享受限條件下的編隊(duì)穩(wěn)定性和協(xié)同能力,為進(jìn)一步的編隊(duì)信息拓?fù)湓O(shè)計(jì)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(duì)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(duì)任務(wù)順利完成的必要條件。針對處于日-地/月系L2平動(dòng)點(diǎn)的多航天器編隊(duì)系統(tǒng),考慮其相對狀態(tài)測量的單向性以及編隊(duì)信息拓?fù)涞南∈韬蜁r(shí)變性,首先提出了兩跳鄰居信息共享方案,設(shè)計(jì)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)�、時(shí)變拓?fù)浜洼斎霑r(shí)延情況下的系統(tǒng)穩(wěn)定性,結(jié)果表明:在無時(shí)延或有限時(shí)延時(shí),可實(shí)現(xiàn)編隊(duì)協(xié)同的條件是信息拓?fù)浯嬖谝豢糜邢蛏蓸洹樵鰪?qiáng)編隊(duì)對時(shí)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(jìn)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(jià)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(jìn)而基于一階一致性理論分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性及其對時(shí)變拓?fù)涞聂敯粜�。結(jié)果表明:編隊(duì)在信息拓?fù)錇橐恢聰M強(qiáng)連通圖時(shí)即可實(shí)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(qiáng)了控制算法對信息拓?fù)淝袚Q的魯棒性。此外,進(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)姿態(tài)信息共享的多航天器編隊(duì)系統(tǒng),考慮到星間通信的單向、稀疏和時(shí)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(jì)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(qiáng)連通的時(shí)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(jìn)一步提出了一個(gè)一般性的航天器姿態(tài)協(xié)同控制器設(shè)計(jì)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(jì)與該框架下的一致性算法設(shè)計(jì)問題等價(jià),從而將航天器編隊(duì)姿態(tài)協(xié)同問題轉(zhuǎn)化為與其非線性動(dòng)力學(xué)無關(guān)的一致性算法設(shè)計(jì)問題,實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)協(xié)同控制器設(shè)計(jì)過程中信息共享受限約束與節(jié)點(diǎn)動(dòng)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(diǎn)動(dòng)力學(xué)模型重點(diǎn)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(gè)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法所得結(jié)果一致的姿態(tài)協(xié)同控制算法,從而驗(yàn)證了所提出的一般性設(shè)計(jì)框架的有效性。多航天器編隊(duì)系統(tǒng)的陀螺故障概率增加,同時(shí)受成本限制,難以也無需為編隊(duì)中的每個(gè)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(duì)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(jì)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(shí)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(gè)模型獨(dú)立的動(dòng)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(shí)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(gè)改進(jìn)的幅值有界姿態(tài)協(xié)同控制器,以解決執(zhí)行機(jī)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(jìn)行了驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】：多航天器編隊(duì)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(duì)飛行任務(wù)13-16
• 1.2.2 航天器編隊(duì)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(duì)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(dòng)點(diǎn)航天器編隊(duì)相對軌道運(yùn)動(dòng)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(dòng)點(diǎn)編隊(duì)相對運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型36-38
• 2.5 航天器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)38-41
• 2.5.1 姿態(tài)描述方式38-40
• 2.5.2 姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程40
• 2.5.3 姿態(tài)動(dòng)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(jì)與穩(wěn)定性分析45-49
• 3.2.2 對輸入時(shí)延的魯棒性分析49-52
• 3.2.3 對時(shí)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(jì)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(jì)與穩(wěn)定性分析84-87
• 4.3.2 對時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)實(shí)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?zhàn)藨B(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?zhàn)藨B(tài)協(xié)同控制122-129
• 5.2.1 相對姿態(tài)運(yùn)動(dòng)及誤差動(dòng)力學(xué)方程122-123
• 5.2.2 控制器設(shè)計(jì)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?zhàn)藨B(tài)有限時(shí)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(jìn)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(xiàn)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(gè)人簡歷162

【參考文獻(xiàn)】

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(dòng)化學(xué)報(bào);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(duì)飛行相對姿態(tài)控制技術(shù)[J];宇航學(xué)報(bào);2010年07期

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