[发明专利]一种基于滑模控制的深空探测器约束姿态机动规划方法

摘要

本发明公开的一种基于滑模控制的深空探测器约束姿态机动规划方法，涉及一种用于深空探测器约束姿态机动规划方法，属于探测器姿态控制技术领域。本发明利用滑膜变结构控制方法设计满足动力学和运动学约束、控制力矩有界约束的控制率；采用几何规避方法求出可满足禁忌约束的姿态四元数，得到同时满足动力学、运动学约束、控制力矩有界约束和禁忌约束的路径节点和生成节点的控制力矩，生成探测器姿态机动路径和所需要的控制力矩，实现探测器机动到目标姿态。本发明不仅考虑动力学和运动学约束、控制力矩有界约束，而且充分满足探测器面临的禁忌约束，能够减小规划路径的曲率，提高探测器从起始姿态机动到目标姿态的效率。

主权项

1.一种基于滑模控制的深空探测器约束姿态机动规划方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立姿态机动参考模型；定义本体坐标系相对于惯性坐标系的误差四元数qe为，式中：q_R为目标四元数，q为当前四元数；为q_R的共轭四元数；表示四元数相乘；q_ev＝[q_e1 q_e2 q_e3]^T；则误差旋转矩阵为，定义本体坐标系相对于惯性坐标系的误差角速度ωe为，ωe＝ω‑R(qe)ωR  (3)式中，ω＝[ω1,ω2,ω3]T是当前探测器在本体系下的角速度，ωR表示目标角速度；误差四元数qe和误差角速度ωe构成姿态机动参考模型；步骤二：采用滑模控制方法设计控制率，产生控制力矩对姿态进行机动；滑模面s选取为，s＝ωe+kqev＝J‑1he+kqev  (4)式中：he＝Jωe，k为正常数；选取Lyapunov函数为，V(s)关于时间的导数为，所设计控制率的控制力矩u必须使得当q_e≠0且ω_e≠0时，才能使整个控制系统稳定；综合考虑误差四元数qe、误差角速度ωe的模型，选取飞轮的控制力矩u为，式中：K1∈R3×3为正定的对角阵；λ＝diag(λi)，i＝1,2,3为用来限制飞轮产生干扰力矩d的增益矩阵；ωb是控制系统中参考系统的本体角速度；符号函数sgn(s)＝[sgn(s1) sgn(s2) sgn(s3)]T，sgn(s)的每个元素定义为，si是滑模面s的三个分量；根据选取飞轮的控制力矩u，Lyapunov函数的导数为，由此得当t→∞时，s(t)→0；也即意味着ωe→0且qev→0；所以式(7)为本步骤设计的控制率；步骤三：根据姿态动力学和运动学模型更新角速度ω和四元数q；姿态动力学方程为公式(10)，J＝diag(J₁,J₂,J₃)表示探测器相对本体系的惯性矩阵，u＝[u₁,u₂,u₃]^T为控制力矩在本体系下的分量，为干扰力矩，ω＝[ω₁,ω₂,ω₃]^T是当前探测器相对惯性系的角速度在本体系下的表示；由式(10)得知，根据控制力矩u和当前角速度ω，能够积分递推出下一步长的角速度ω(k+1)；姿态运动学方程为公式(11)，其中，q₀为四元数的标量部分，q_v＝[q₁ q₂ q₃]^T为四元数的矢量部分；q₀和q_v需要满足归一化约束表示q_v的反对称矩阵，由式(12)能够得到下一步长的四元数q(k+1)；步骤四：采用几何规避方法对产生的姿态四元数进行规划，使得姿态四元数满足禁忌约束；禁忌约束表示成如公式(13)所示的几何关系，其中，rB表示敏感元件在本体系下的方向矢量，vB为强光天体在本体坐标下的方向矢量；为了避免探测器在机动过程中，强光天体光线进入到光学敏感元件的视场内，必须要保证此类敏感器件的视线方向矢量与强光天体方向矢量之间的夹角不能低于阈值θ；将式(13)转换成四元数表示形式为，vB＝CBIrI＝rI‑2qvTqvrI+2qvqvTrI+2q0([rI×]qv)  (14)其中，rI表示探测器到强光天体的方向矢量在惯性系下的分量，CBI表示探测器的姿态余弦矩阵；[rI×]为叉乘矩阵，具体形式为，将(13)表示成更加紧凑的形式，得到(16)式中的二次约束形式，qTKq≤0  (16)其中，q＝[q0 q1 q2 q3]T；步骤三得到的姿态四元数能够利用式(16)进行判断，假如满足，那么输出该四元数q(k+1)和角速度ω(k+1)到步骤一所述的参考模型进行循环，假如不满足，令，式中，p＝[cos(π/4) sin(π/4) 0 0]T；步骤五：在给出探测器的起始姿态和目标姿态条件下，通过实现上述步骤一、二、三、四闭环规划系统循环，规划出满足约束的路径节点和生成节点的控制力矩，能够生成探测器姿态机动路径和所需要的控制力矩，按照生成探测器姿态机动路径和所需要的控制力矩实现探测器机动到目标姿态。