空间飞行器智能自主控制技术现状与发展思考

提升空间飞行器的自主水平一直是航天领域的发展重点,新一代人工智能技术的巨大进步为其提供了新的机遇.本文对国内外空间飞行器智能自主控制技术的发展现状进行分析和总结,结合未来空间任务的发展需求,阐述空间飞行器智能自主控制的新特征,提出新的感知-决策-操控星上闭环结构,从智能自主角度剖析感知、决策、操控和健康管理的能力要素,并根据系统对地面的依赖程度和处理复杂任务的智能水平,提出空间智能自主控制的分级方法.针对发展空间智能自主控制技术所面临的挑战,从感知与认知、决策与规划、学习与操控、健康管理和系统体系架构五个方面给出发展建议.

空间操作控制技术研究现状及发展趋势

对空间操作控制技术的现状进行了总结,从典型飞行任务中分析给出控制系统所需具备的四个能力:自主运行、目标重构识别、精准敏捷、联合体规划控制;并从这四个方面对未来的技术发展进行了展望.

面向不确定环境的航天器智能自主控制技术

针对智能自主控制系统所涉及的自主感知技术、自主决策技术和控制执行技术的研究现状进行了分析和总结,剖析了目前航天器控制系统在应对不确定环境时面临的困境。结合未来空间任务对航天器能力的需求,提出了一种新型“感知-演化-决策-执行”(OEDA)星上闭环控制框架,探讨了其特点和功能,进一步阐述了OEDA控制框架中所涉及的理论与方法,最后分析了该控制框架实际应用和进一步发展需解决的关键科学问题。

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。

航天器威胁规避智能自主控制技术研究综述

当前,轨道空间日益拥挤、太空竞争不断加剧,对航天器执行既定任务时的轨道威胁自主应对能力提出了新的挑战,使得航天器智能自主控制技术迎来新的发展机遇.在调研分析了轨道威胁感知、自主决策规划、规避机动动作执行、自主控制系统架构相关研究进展的基础上,总结提出了威胁规避智能自主控制面临的主要瓶颈问题,并分析指出发展“感知-决策-执行”一体化控制是破解瓶颈难题的有效手段,最后从一体化控制系统建模、设计、分析与验证多方面,系统讨论了威胁规避智能自主控制需要重点关注的若干基础问题,为未来航天器智能自主控制的理论研究和技术发展提供启发和参考.

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。

高分七号卫星高精度控制技术与验证

高分七号卫星(GF-7)控制系统,一方面通过研制甚高精度星敏感器和高平稳度翼板驱动机构(SADA),提高部件性能指标;另一方面采用在轨参数标定、星地闭环补偿等控制技术,进一步提高系统性能。经飞行验证表明,控制系统实现了角秒级姿态测量精度,稳定度达到10^(-5)(°)/s量级,与同类型测绘卫星控制系统比较,姿态测量精度和稳定度均达到中国领先、国际先进的水平,使中国遥感测绘卫星控制能力得到了大幅提升。最后展望了GF-7卫星控制分系统进一步提高控制精度的发展方向。

空间机器人加注机构碰撞力建模与柔顺控制

为削弱在轨加注过程中主被动端碰撞冲击对空间机器人的影响,提出了基于力/位混合的柔顺控制律。首先通过第二类拉格朗日方程建立了漂浮基座空间机器人一般运动学模型和考虑环境接触的动力学模型。其次,设计了"杆-锥式"加注主被动端装置,根据主被动端的接触特点,建立了点面接触的碰撞动力学模型,并给出相应的碰撞力计算方法。接着,将加注对接问题转化为以基座为参考系的末端运动控制问题,得到了机械臂关节期望运动规律,进而设计了位置环控制律;根据加注主被动端的位置关系计算得到碰撞力,进而设计了力/力矩环控制律,结合顺应选择矩阵最终得到力/位混合控制器,以减小杆锥对接时碰撞对空间机器人基座及末端的冲击影响。最后,仿真结果表明,对接方向的位置误差由初始值降至零,对接过程碰撞产生的力不超过10N,满足末端工具冲击承载。各关节角度变化平缓,关节力矩不超过13Nm,满足机械臂关节力矩最小承载,所设计的控制器使得加注主被动端完成柔顺对接。

重力梯度测量卫星无拖曳控制技术

无拖曳控制是当前和未来若干空间任务中的一项关键技术.以重力梯度测量卫星为对象,对无拖曳控制回路进行深入剖析,包括对静电引力梯度仪、离子推力器和空间环境的模型与建模方法及无拖曳控制律设计方法的综述.借鉴GOCE卫星(gravity field and steady-state ocean circulation explorer)的成功经验并结合国内离子推力器和静电悬浮加速度计的研制现状,对未来发展我国重力梯度测量卫星无拖曳控制进行难点分析与展望.

空间站组合体惯性系内角动量管理控制

针对惯性系内重力梯度力矩与气动力矩的常值部分积累引起控制力矩陀螺饱和的问题,在惯性系内建立空间站的动力学模型并进行线性化,利用滤波变量将系统状态方程扩维,采用LQR方法设计系统反馈控制增益矩阵,实现空间站在惯性系内的角动量管理控制.惯性系内重力梯度力矩、气动力矩由轨道角速度整数倍的频率成份构成,可以根据实际情况增加抑制不同频率成份的滤波变量,用于抑制不同频率成份干扰力矩对空间站姿态或控制力矩陀螺角动量的干扰,从而使空间站长期在惯性系内飞行而不需要进行角动量的卸载.仿真验证了控制器的性能.

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。

我国载人航天工程交会对接控制技术发展

空间交会对接技术是载人航天的一项核心关键技术,中国载人航天工程推动了我国空间交会对接技术长足发展,在载人航天30年发展历程中,我国空间交会对接技术实现了从无到有、从自动/人控到自主、从长周期到快速、从单一模式到多模式的重大技术跨越。文章论述了在我国载人航天三步走战略实施过程中交会对接控制技术的发展历程,分析后续任务的发展需求,给出了未来交会对接控制技术发展建议。

空间机器人协调控制全物理仿真设计与验证

机械手在空间运动时,对卫星本体会产生干扰,卫星本体采用协调控制方法,减少机械手运动对本体的影响.设计基于气浮台的全物理仿真试验系统,通过气足漂浮支撑机械手和三自由度气浮台,来模拟卫星在空间微重力环境下一个平面内的协调控制运动,采用星上部件、控制器和控制软件,对协调控制进行了验证.

航天器相对导航与控制技术的典型任务

在空间交会对接、在轨服务、近距离目标监视以及航天器编队飞行任务中,通常需要通过相对导航与控制技术对相互邻近的航天器进行控制.回顾了该领域典型的空间任务,特别关注任务、相对导航与控制方法、相对测量设备、推进系统等主要特征,并总结了该项技术的发展趋势.

非合作目标追踪与相对状态保持控制技术研究

基于考虑J2摄动影响的改进Hill方程数学描述,将最优机动问题转化为标准线性规划问题,为在轨服务系统对非合作目标的接近过程进行路径规划,针对卫星跟踪以及悬停的特殊相对运动状态设计控制方法,实现近距离相对轨道的精确控制.最后通过数学仿真验证方案的正确性和有效性.

基于视线制导的空间交会停靠控制方法

空间交会停靠段的控制经常采用的一种方法是基于视线位置信息的平行接近法.对纵向控制中的非线性滑动模态控制方法进行了研究和改进,考虑了视线角对纵向控制的耦合作用,增加了耦合项,并进行了存在性和稳定性分析.对于横向和纵向同时协调控制,提出一种多变量互相耦合的非线性滑动模态视线制导控制方法,并对同时协调控制进行了存在性和稳定性分析.

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。

基于视线制导的空间自主交会故障诊断与容错控制集成设计

为提高空间自主交会最终逼近段航天器的安全性,提出了一种椭圆轨道自主交会问题的故障诊断与容错控制集成设计方法。对于视线制导坐标系下的空间自主交会追踪航天器推力器故障,首先基于鲁棒H_(∞)理论设计了非线性容错控制器,并基于Lyapunov稳定性理论设计了一种自适应故障观测器,最后使用Matlab的LMI工具箱完成该观测器求解。仿真结果表明:该法简单、有效,有较高的理论和工程应用价值。

空间服务机器人自适应递归控制

太空垃圾是对所有的空间航天器的重大威胁,空间在轨服务技术是解决这个问题的一种潜在方法。空间机器人的控制方法是在轨服务的一项关键技术。研究了一种工作在自由飞行模式下的空间机器人的控制技术,该空间机器人装有多个机械臂。假设空间机器人的精确动力学模型参数未知,为解决这个问题,提出了一种自适应空间机器人控制器,并分析了采用此控制器时系统的收敛性。为提高计算效率,进一步给出了控制器的递归形式。最后给出了一个仿真算例,证明了控制器的正确性和有效性。