分布式协同微纳遥感星群的智能控制系统关键技术

近年来,国内外微纳遥感星座发展不断加速,通过高频重访大幅提升了对地观测的时间分辨率,但是由于单颗微纳卫星观测能力受限,难以满足多源同步与融合、高品质、大幅宽等数据应用需求。为此,将星座与星簇相结合,以星座化分布满足高时间分辨率需求,以星座节点上的星簇协同观测获取多源、高品质、宽幅数据,构建基于微纳卫星的分布式协同遥感系统,是兼顾上述遥感应用需求的有效途径。智能分布式协同控制是该系统的核心关键,为此,必须研究解决星座+星簇大规模动态微纳遥感星群控制系统的分布协同自主导航、智能运动规划与控制、智能健康预测与管理、智能组网等关键技术难题。在梳理分析国内外分布式微纳遥感系统的基础上,给出分布式协同微纳遥感星群的概念内涵,分析其特有的四方面难题,梳理总结相关技术发展现状与趋势,以期为后续该方向的研究起到一定的借鉴作用。

空间机器人多臂精准协同控制技术

为了解决单臂空间机器人在轨服务任务中机械臂末端位姿控制精度有限的问题,提出了一种空间机器人多臂精准协同控制方法,该方法以3条7自由度机械臂的空间机器人(SR)为研究对象,利用Kane方法建立了具有通用性的SR动力学模型,该模型包括本体动力学方程与各条机械臂动力学方程两部分;在此基础上,基于李雅普诺夫稳定性理论,设计了SR捕获目标过程中机械臂各关节的轨迹跟踪控制律,克服了机械臂的运动抖动问题.仿真结果表明,该方法可保证机械臂末端按照期望的轨迹运动,并且能提高机械臂末端位姿控制精度.

空间黏附爬行机器人足端预压力优化与控制

基于仿生干黏附材料的空间足式爬行机器人可附着于航天器外表面并代替航天员完成舱外巡检、维护等工作,是无人自主化在轨服务与维护的有效途径。为保证足式爬行机器人与航天器的稳定附着,针对空间爬行机器人足端在与航天器接触时预压力对黏附稳定性影响的问题,提出一种足端预压力优化与控制方法。首先结合仿生黏附材料特性,建立黏附材料在预压阶段和黏附阶段的稳定性约束;其次在稳定性约束下基于二次规划方法优化足端力,保证预压力足够的同时减小对其他足的脱附力;最后通过基于环境刚度辨识的导纳控制实现优化后的力分配。结果表明,基于环境刚度辨识的导纳控制可实现预压力的柔顺控制,优化后的预压力可减小对其他黏附足的法向脱附力的影响,保证黏附爬行稳定性。

多臂空间机器人的视觉伺服与协调控制

针对多臂空间机器人自主目标抓捕任务,首先建立多臂空间机器人的运动模型和其与目标的相对运动模型,采用Kane方法建立多臂空间机器人的动力学模型;其次,研究基于视觉伺服的机械臂在线轨迹规划算法,并引入零反作用机动,消除机械臂运动对平台姿态的扰动;再次,在不使用零反作用机动功能时,分别使用基于角动量前馈补偿的协调控制算法和逆动力学方法设计了协调控制器,在机械臂运动时保持平台姿态和相对目标的位置。最后,开发了基于Matlab的仿真软件MASS(多臂空间机器人仿真),仿真结果校验了上述方法的有效性。

在轨服务航天器的制导、导航与控制关键技术

在轨服务航天器的制导、导航与控制是保障任务完成的核心关键,根据其典型核心任务流程,梳理出了翻滚目标超近立体视觉测量、翻滚目标姿轨耦合逼近路径规划与控制、非合作目标柔顺捕获控制、组合体稳定控制四项关键技术。提出了基于深度学习的目标典型部位精细感知、基于虚拟域逆动力学的优化轨迹、间接估计辅助的图像视觉伺服控制、基于位置控制内环的阻抗控制等方法,实现了组合体航天器精确导航、制导与控制,利用气浮平台、六自由度运动模拟器进行了地面试验验证,组合体三轴控制精度为0.2°。最后对在轨服务航天器未来发展进行了展望,以期为该方向的后续研究提供参考。

非合作目标智能感知技术研究进展与展望

智能感知是实现航天器在轨精细化操控过程的关键技术,是在轨服务技术智能化的重点发展方向之一。空间目标智能感知包括位姿测量、三维重建与部位识别等关键技术,涉及小样本、多模态、模型适应与高维数据等问题。从工程应用角度出发,对非合作目标智能感知技术的研究现状进行系统的梳理与总结。首先,总结典型非合作在轨感知系统与光学敏感器技术的发展现状;其次,归纳总结了非合作目标智能感知涉及的关键技术;最后,基于研究现状总结和关键技术分析,探讨了非合作目标智能感知目前存在的主要问题,并给出后续发展的建议。

逼近与跟踪空间翻滚目标的图像视觉伺服控制

在空间翻滚目标的最终逼近与跟踪任务段,追踪星对目标星的视觉相对导航会因进入盲区而失效,而基于间接相对导航的位置视觉伺服控制精度太差.针对该问题,基于图像视觉伺服思想,直接利用目标图像特征点坐标,建立了超近距离姿轨跟踪的成像运动模型,推导得到指数收敛的图像视觉伺服期望广义速度、相对位置估计修正量,进而引入基于双滑模面控制律的相对姿轨耦合控制闭环,从而提出了间接估计辅助的图像视觉伺服控制方法.数学仿真结果表明:该方法的相对位置和姿态控制精度显著提高,可为空间翻滚目标最终逼近与跟踪任务提供安全、准确、稳定的相对姿态和轨道条件.

具有输入时延的多航天器分布式跟踪控制

针对具有不确定输入时延的多航天器姿态跟踪控制问题,利用Takagi-Sugeno(T-S)模糊方法将非线性多航天器跟踪误差动力学模型进行模糊线性化处理,从而构建出简化的航天器跟踪误差动力学线性模型。在此基础上,设计了一种分布式多航天器鲁棒跟踪控制协议,实现多航天器在不确定输入时延和扰动环境下的姿态跟踪控制。最后以多航天器姿态跟踪控制系统模型进行了数值仿真验证,结果表明,利用所设计的分布式跟踪控制器,可实现在不同输入时延下的多航天器姿态跟踪控制,并且可以满足系统的H∞性能指标。

空间碎片绳网捕获拖曳恒张力控制

针对空间绳网系统捕获空间碎片后,在轨道转移过程中的精确控制问题,提出一种使用常值拉力将空间碎片拖曳至坟墓轨道的方法。首先,采用牛顿欧拉法建立绳系组合体动力学模型;其次,通过李雅普诺夫方法证明仅使用恒张力即可实现拖曳过程的稳定控制;再次,提出采用常值拉力切换控制律抑制空间碎片的姿态章动,采用基于相平面控制原理的控制律抑制绳系组合体面内面外摆动,规避在轨道转移过程中系绳松弛造成缠绕、系绳张力过大造成断裂或两星接近发生碰撞等风险。最后,通过拖曳离轨全过程仿真分析,校验了所提出控制方法的有效性。

空间飞行器动力学与控制研究综述

概括介绍了近年来空间飞行器的动力学与控制研究的发展状况,综述了单星动力学建模和控制技术、多星动力学建模和控制技术,以及太阳帆航天器、绳系卫星等新型航天器动力学与控制技术等相关航天领域中的若干基础问题,总结了在这些领域中的研究方法及取得的成果。提出了相关领域中值得深入研究的问题及后续发展方向,如深空探测的轨道动力学、超大尺度柔性航天器的动力学建模与协同控制技术、敏捷卫星的机动控制技术、多星姿轨耦合动力学和控制技术、太阳帆航天器动力学与控制技术,以及空间绳系卫星系统的动力学与控制技术等重点和主要发展方向。

考虑太阳帆板振动的空间绳系拖曳动力学与控制

针对使用空间绳网捕获带有太阳帆板等柔性附件的大型失效航天器的碎片清除任务,充分考虑了拖曳过程中柔性附件产生的振动对系统的稳定造成的影响。首先采用凯恩方法建立了失效航天器绳系拖曳系统动力学模型,在建模过程中充分考虑系绳的质量和振动、帆板的振动、系统的轨道运动对姿态的影响等,使动力学模型更加详细和完整,且该动力学模型不受失效航天器所处位置的限制,适用于任意轨道上的失效航天器的拖曳离轨任务;之后根据平衡状态的特点,求取了系统的平衡解,并在平衡解附近对动力学方程线性化,然后采用李雅普诺夫方法分析了系统的稳定性及各参数的变化规律;并针对失效航天器可能产生的姿态章动设计了常值张力切换控制律;最后采用数值仿真的方法分析了失效航天器的帆板振动对绳系拖曳过程的影响,校验了控制律的有效性。

空间翻滚目标捕获的双滑模面控制律与地面微重力试验

本文研究了空间翻滚目标捕获任务中的相对姿轨耦合控制问题.为了提高系统在有界干扰、测量误差、控制受限、参数不确定等因素影响下的控制性能,设计了双滑模面姿轨耦合控制律,并证明了该控制律作用下闭环系统的稳定性.通过数学仿真与传统单滑模面控制律进行了对比分析,结果表明双滑模面控制律的能够显著减小稳态偏差和噪声.进一步,构建了地面微重力半物理试验系统,设计了轨道面内对翻滚目标逼近与跟踪的任务场景,通过半物理试验结果验证了双滑模面控制律在姿轨控全系统实时闭环、微重力动力学条件下的有效性.

人工智能在航天器控制中的应用

首先从限制航天器发展存在的难题入手,分析了人工智能在航天领域中的应用意义,然后阐述了国内外航天器人工智能技术的发展现状及差距,最后提出了人工智能在深空、遥感、在轨操控、集群、故障诊断与重规划中应用发展的建议,旨在通过在航天器系统中引入人工智能技术,大幅提高我国空间技术的智能化水平。

基于改进型神经网络PID算法的太阳翼α驱动控制技术

对日定向跟踪技术是太阳翼保持最大发电效率的关键,而诸如空间站等大型太阳翼,α驱动方向上的任何扰动都可能导致对日定向精度变差从而降低发电效率,甚至导致舱体剧烈振动。为了减小扰动的影响,本文以某宇航型号空间站太阳翼α驱动控制技术为研究背景,提出采用改进型BP神经网络PID算法抑制齿轮间隙冲击扰动和摩擦扰动,并采用MATLAB对算法进行了验证。改进后的控制器相比于传统PI控制,动态性能、跟随效果更好,能实现PID参数自适应调节,且各指标均满足空间站太阳翼控制系统实际指标要求。

基于参数在轨辨识的组合体航天器姿态控制技术

面向在轨服务提出了一种组合体航天器的参数在轨辨识与控制方法。针对辨识参数估计误差相对较大、环境存在干扰力矩以及控制输入受限的情况,设计了一种自适应变结构控制算法,实现组合体航天器对干扰和参数不确定的鲁棒性,并保证了快速和精确的响应。仿真结果表明设计方法有效,能满足控制指标要求。

基于误差空间的航天器姿态反步容错控制

提出了一种基于误差空间的航天器姿态反步容错控制方法,以反作用飞轮作为航天器的执行器,在考虑反作用飞轮存在安装偏差及故障的情况下,仍可保证航天器姿态的稳定性。首先,基于Lyapunov稳定性原理,根据系统机械能变化构造了具有普遍性的Lyapunov方程。通过反步递推方法,得到了适用于航天器存在执行器偏差及故障情况的普遍性的容错控制方法。然后,通过误差空间拓扑所得的误差函数描述了势能误差。从几何层面上看,这是描述势能误差的最短路径选择,从而得到了基于误差空间的反步容错控制方法。因此,在对航天器进行姿态控制时,该方法可以迅速调整增益,使得系统姿态误差迅速收敛至零,从而有效减少系统响应时间。最终,通过对考虑执行器偏差及故障情况的航天器姿态控制系统使用不同的控制方法进行数值仿真,验证了该方法能够在执行器故障情况下依然保持系统姿态的稳定,且具备良好的响应速度。

空间站帆板驱动输入成型鲁棒控制

针对空间站大挠性帆板驱动的振动抑制要求,提出了一种输入成型与鲁棒控制相结合的控制策略。为加快鲁棒控制的响应速度,将输入成型器引入闭环,对消主导模态挠性振动极点;针对高阶模态建模不确定性,线性化输入成型并选择合适加权函数将帆板驱动转为标准H∞控制,设计所需控制器。数学仿真验证了该策略可行,表明控制策略加快了鲁棒控制响应,且能有效抑制帆板驱动过程中的挠性振动,对设计参数变化也有较强的鲁棒性。

磁悬浮力矩陀螺内外框架低速高精度控制技术研究

建立了双框架磁悬浮力矩陀螺(DGMSCMG)内外框架伺服系统耦合动力学模型,并针对未知扰动影响的非线性不确定系统,用基于扩张状态观测器(ESO)的扰动力矩估计器获取补偿力矩,在常规的比例积分微分(PID)控制器中通过前馈方式对内外框架进行前馈力矩补偿。仿真结果表明:干扰补偿控制能有效抑制航天器及框架对磁悬浮转子的耦合干扰,并提高了磁悬浮转子系统的稳定性。

空间目标快速轮廓特征提取与跟踪技术

为满足空间目标交会对接任务中高精度、快速的测量要求,提出了一种空间目标快速轮廓特征提取与跟踪技术。该算法首先从初始帧图像中分割定位目标所在局部区域,作为目标连续跟踪的初始值;其次基于初始帧目标局部区域完成对初始帧目标边缘特征的检测及细化处理;最后采用Hough变换完成对初始帧目标边缘的检测及细化后的局部图像轮廓直线的提取,分别选取目标轮廓四方向最优的直线参数作为最终目标轮廓直线获取的效果,并采用梯度最大法则实现两两求交获取的轮廓特征的优化提取。在目标逼近过程中,结合相邻帧图像间目标尺度动态变化的关联性,根据初始帧提取目标轮廓特征的先验信息,确定目标在第二帧图像中的轮廓位置,并依次根据上一帧图像的轮廓位置信息定位目标在当前帧所在的区域,通过局部处理实现序列图像轮廓区域特征的连续跟踪。该算法无需遍历整个图像,所需处理的目标区域大幅减小,能够有效克服由目标图像较多边缘干扰导致的轮廓提取效果差及处理速度慢的缺点,具有速度快、准确性强、稳定性高等优点。

基于虚拟化技术的卫星控制系统软件构件库运行监控与可信验证技术

动态系统建模工具可以按照设定的仿真步长对控制器的行为动态模拟,也可以在仿真环境下模拟控制器所在的系统架构和动态数据交互,因此传统的卫星控制系统方案设计时一般采用在同一模型建模体系进行,并进行相应的控制算法设计;但是由于动态系统建模工具其自身的时钟步长和数据流处理逻辑,不能完全模拟目标机的内部ALU逻辑和真实外围设备工作行为,可能与真实物理环境要求的系统有一定的出入,造成对承载卫星控制器功能的目标机CPU处理系统存在一定程度的失真,影响仿真效果;提出了一种基于虚拟化技术的卫星控制系统软件构件库可信验证技术,使用虚拟化技术实现对真实物理目标机功能的完全模拟,运用软件非干涉运行监控技术,获取可信的开发证据和应用证据,利用协同仿真组件和卫星控制系统方案设计的控制算法模型对各个软件构件进行动态同步仿真验证。