基于对偶四元数的航天器六自由度相对运动输入有界控制

利用对偶四元数的理论来分析航天器六自由度的相对运动,设计了一种考虑输入有界的姿轨一体化控制器。在介绍对偶数和对偶四元数的基础上推导六自由度相对运动的姿轨耦合模型;利用双曲正切函数绝对值小于1的特性来显式地构造有界控制器,分别设计两个相互耦合的自适应调节律来动态地改变控制器的输出,并基于李雅普诺夫稳定性理论严格证明了闭环系统的全局渐近稳定性;利用数学仿真实验来验证该控制器和控制力满足给定的约束条件,能够实现航天器六自由度相对运动的精确稳定控制,并且对模型参数不确定性和外界扰动具有鲁棒性。与其他方法相比,由该控制器计算得到的控制力矩器的收敛速度更快,输出的控制力矩和控制力的最大幅值更小,且消耗的能量也更少。

航天器快速绕飞任务的六自由度滑模控制研究

随着航天器在轨服务的发展,快速绕飞成为当前航天任务设计的一个重要课题。快速绕飞采用受限相对运动轨迹,为了实现任务目标需要考虑航天器位置与姿态的六自由度耦合控制问题。采用滑模变结构控制理论,解决了航天器快速绕飞的六自由度推力控制问题。首先,从完全非线性相对轨道动力学方程和修正罗德里格斯参数表示的姿态运动学方程出发,建立了包含未知有界干扰的六自由度动力学模型,该模型形式简单,适用于任意偏心率的目标轨道;其次,以圆形绕飞为例,给出了任意方位快速绕飞轨迹的数学表示和任意位置期望姿态的计算模型;然后,考虑航天器形状及推力器配置,应用滑模变结构控制的趋近律方法,设计了对未知有界干扰具有鲁棒性的控制律。最后的仿真算例验证了控制律的有效性。

航天器编队的六自由度循环追踪协同控制

针对航天器编队的姿轨协同控制问题,提出一种使用循环追踪策略的六自由度(6-DOF)协同控制方法。首先,结合Lagrangian形式的姿态动力学和轨道动力学方程,建立航天器编队的六自由度相对运动模型;然后,以线性双积分系统的循环追踪算法为基础,分别设计可跟踪动态目标的循环追踪算法和航天器匹配自然周期相对运动的循环追踪算法。综合上述两种算法,设计航天器编队六自由度协同控制的循环追踪算法。该算法可实现航天器编队空间圆构型初始化,跟踪动态的期望姿态和相对运动。仿真结果证明了所提出的航天器编队六自由度协同控制的循环追踪算法的有效性。

可重复使用航天器IMU动态精度评估方法

可重复使用航天器使用的惯性测量单元(IMU)既需要满足空间段长期在轨使用需求,又需要满足再入大气过程较严酷的力学振动环境及高动态下的高精度导航需求.针对可重复使用航天器对IMU的需求,本文对研制过程中动态精度设计和验证方法进行了总结,并介绍了一种六自由度振动IMU精度试验方法,该方法能够更真实模拟再入力学环境,可从系统需求出发,对IMU动态精度进行综合评估,为其他天地往返类型航天器提供参考.

基于Twistor的航天器领航-跟随编队有限时间姿轨耦合控制

针对双航天器六自由度领航-跟随编队的姿轨耦合控制问题,为了简化六自由度控制器的设计,采用twistor对双航天器的相对姿轨运动进行统一描述,提出了有限时间收敛的六自由度姿轨耦合控制律。首先,定义合理的坐标系,给出twistor描述的双航天器相对姿轨运动方程;其次,提出twistor框架下的终端滑模面,为有限时间收敛控制律的设计提供基础;然后,应用滑模控制理论,基于所提出的终端滑模面,设计有限时间收敛的六自由度姿轨耦合控制律,并证明其在有限时间收敛。最后,通过数值仿真,验证所提出算法的有效性。基于twistor的六自由度姿轨耦合编队控制律设计比传统设计方法更为简洁,比基于对偶四元数的控制律计算量小,更适合于计算资源有限航天器的六自由度编队控制。

欠驱动航天器相对运动的姿轨耦合控制

针对欠驱动的非对称航天器设计六自由度相对运动的姿轨耦合控制器.首先,给出用对偶四元数描述的六自由度相对运动模型;然后,基于矩阵广义逆和空控制向量提出广义的滑模控制器,以实现相对姿态欠驱动控制的渐近稳定;最后,考虑姿轨耦合特性,利用高斯伪谱法和非线性规划得到相对轨道运动能量最省的轨迹,进而利用滑模变结构控制实现对该轨迹的跟踪.仿真结果表明,所提出的方法是有效和可行的,而且较其他方法消耗的能量更少.

关于颗粒惯性聚集现象数值算法的分析与研究

为深化对颗粒惯性聚集现象及原理的研究,通过CFD数值模拟技术针对球形颗粒在微通道内的聚集运动建立了相应模型,以不同的数值算法进行模拟分析。通过对比分析不同条件下两种模型,即"相对运动模型"和"六自由度模型"的数值计算结果与实验数据的适配情况,分析两者的精准度与适用性,为颗粒惯性聚集现象的模拟研究提供指导。研究结果表明:"相对运动模型"适用于颗粒粒径或雷诺数较小的情况,可以快速得到颗粒惯性升力的空间分布,进而确定其聚集位置。"六自由度模型"以大量的计算时间为支撑,其计算结果在各种工况下均具有较高的精确度;能描述颗粒惯性聚集运动的轨迹;能够跟踪测量聚集过程中,颗粒在各个位置的运动参数和受力情况。