基于四元数反馈线性化的飞行器姿态控制方法研究

空间飞行器姿态控制系统是一个非线性多输入多输出系统,其姿控执行机构的布局及工作特性决定了姿态控制的难易程度。针对飞行器以姿控发动机作为姿控执行机构时的大角度姿态运动需求,本文采用单位四元数作为弹体姿态描述,考虑到姿控发动机布局对姿态控制的影响,直接以姿控发动机推力作为系统的控制输入,利用反馈线性化方法,将原非线性系统转化为一个六阶线性子系统和一个一阶内动态子系统。在对内动态分析的基础上,针对线性子系统设计了四元数PD反馈控制律。在转动惯量不确定性以及轨控大干扰力矩存在的情况下,对闭环控制系统进行了大角度姿态运动数字仿真。仿真结果表明,本文所设计的姿控方法能够有效地实现飞行器大角度姿态控制,并对系统参数摄动及外部干扰具有较强的鲁棒性。

考虑控制饱和的卫星姿态调节输出反馈控制器设计

研究了基于四元数的刚体卫星在控制输入受限时的姿态调节控制问题。针对姿态角速率信号不可测量的情形,设计了一种仅依赖四元数信息的输出反馈控制方案,并通过李亚普诺夫方法证明了闭环系统零平衡点的全局稳定性。同时,通过在控制方案中引入双曲正切饱和函数,推导出只需控制参数的选取满足某一限制条件,就能有效地抑制控制输入的饱和问题。仿真结果表明了所设计的输出反馈控制方案的有效性和可行性。

基于四元数的刚体姿态调节问题

给出了用四元数表示的刚体姿态调节问题的两种控制规律 .首先利用反馈非线性化方法 ,给出一种不含非线性扭矩项、仅由四元数和角速度的线性组合构成的控制规律 .该控制律与刚体惯性参数无关 ,因而具有一定的鲁棒性 ,并证明在一定条件下闭环系统是指数渐近稳定的 .其次重新研究了刚体姿态控制问题固有的无源性 ,并利用这种新的无源性设计了一种仅利用姿态四元数而无需用角速度测量作为反馈的控制规律 .与现有的四输入 /四输出无源系统相比 ,这里的严格无源系统的动态控制器仅是三输入 /三输出的 ,有效地减少了实时计算所需的时间 .

刚体飞行器大角度机动的反馈非线性化控制

研究了刚体飞行器大角度机动的姿态控制问题。采用四元数描述刚体姿态， 建立了刚体姿态运动的数学模型。基于反馈非线性化技术， 通过构造李雅普诺夫函数推导出标量增益的线性控制律和矩阵增益的非线性控制律。两种控制律不需要知道系统参数， 对模型误差具有鲁棒性。理论分析和仿真结果表明， 所求控制律对闭环系统具有全局渐近稳定性。

空间绳系机器人大角度姿态机动控制

空间绳系机器人在非合作目标捕获/操作方面应用前景十分美好。研究绳系机器人优化控制问题,针对系绳干扰和大角度测量误差下的大角度姿态机动控制难题,建立包括运动学/动力学模型、执行机构模型、干扰模型的空间绳系机器人大角度姿态机动模型,并在Lyapunov原理的指导下,基于动态RBF神经网络理论和自适应控制理论设计了四元数反馈控制器,并进行仿真验证。仿真结果表明,机器人姿态机动速度快,稳态精度高,能够满足空间绳系机器人下一步操作的需求,为空间绳系机器人的精确操作提供了依据,为未来在轨服务技术的发展奠定理论基础。

通过非线性解耦实现绕欧拉特征轴旋转的姿态控制系统

利用四元数反馈，就不需要测量三个欧拉角，从而避免结构上和原理上所带来的麻烦，而且可以实现绕欧拉特征轴的大角度机动。绕欧拉特征轴旋转的角行程是最短的。但是，要实现这种机动，姿态控制系统必须是解耦的。

基于四元数反馈的UVMS滑模控制器设计

随着水下机器人-机械手系统(UVMS)向轻量化、敏捷化方向发展,对高精度水下姿态控制的需求日益突出。传统方法多使用欧拉角表示姿态,其在特殊姿态下求运动学逆解会产生奇异,不能满足特殊姿态作业的要求。因此,文中采用四元数表示水下机器人本体姿态,建立基于四元数的运动学模型,避免了欧拉角的万向锁问题。同时,进一步构建了UVMS的动力学模型,构造基于四元数误差的滑模面,设计了位置、姿态滑模控制器,并通过广义Lyapunov理论分析了系统的稳定性。为了实现更好的控制效果,利用时间误差绝对值函数设计适应度函数,采用遗传算法优化了控制器参数。仿真结果验证了控制器的有效性。

基于四元数的全驱动碟形AUV单矢量反馈控制

提出了一种基于四元数的单向量反馈自治式潜水器(AUV)位姿控制算法,使用向量表示控制量和姿态或位置的误差。此算法突破了欧拉角姿态下存在姿态死区的局限,解决了AUV任意方向多圈旋转问题。使用该算法实现了全驱动碟形AUV的位置和姿态控制。利用MATLAB的SIMSCAPE工具箱建立碟形AUV模型,并使用离散数字控制器进行仿真,验证了算法的稳定性。实验结果表明,在碟形AUV的位姿控制任务中,四元数反馈控制算法可以使碟形AUV系统在外部控制的作用下,从一个任意状态到达状态空间中的另一个任意状态。本算法将机体姿态视为单个闭环,相比基于欧拉角的控制方案,收敛域更大、参数更少,降低了实际设备的调试难度,在工程应用中更加便利。

卫星编队飞行相对姿态控制

卫星编队飞行在轨执行任务时,除了对相对位置有特定要求外,还需根据不同任务需求保持一定的相对姿态,为此研究了两颗卫星相对姿态的保持控制。根据刚体运动学推导了两个星体坐标系之间的坐标转换矩阵,给出了从星始终指向主星所需的目标姿态和角速度。基于卫星姿态动力学给出了3个相互垂直安装的反作用轮的控制律,并利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的渐近稳定性。最后通过数值仿真验证了控制算法的正确性,其相对误差小于10-6。

基于四元数的航天器姿态非线性控制器

针对由四元数描述的航天器姿态控制系统进行了非线性反馈控制器设计.首先,得到一类含角速度测量的反馈控制律.该控制律不仅可以保证闭环系统是全局渐近稳定的,而且保证了2个期望的平衡位置都是稳定的.然后,利用基于四元数的滤波器取代角速度测量,得到一类无需角速度测量的反馈控制律.该控制律同样保证了闭环系统的全局渐近稳定性和2个稳定的期望平衡位置.值得注意的是,2个稳定的期望平衡位置,将促使由任意初始姿态出发的轨迹都就近收敛至任意期望平衡位置.最后,数值仿真展示了所得反馈控制律的优势.