某飞行器交会对接任务规划算法研究与实现

摘要

作为高新技术最为集中的，产业溢出效应最强的领域，空间技术一直是人们研究的热点。近年来，随着空间飞行任务的日益复杂和多样化，愈来愈多的场景需要多个飞行器协作完成空间任务。而对于多飞行器协同任务开展，飞行器自主交会对接则是一项需要重点攻关的技术。交会对接任务除了要求飞行器有足够的机动能力外，还必须考虑对接操作的安全性能。为了降低系统的复杂度，提高系统的鲁棒性和安全性，本文引入混合系统控制思想来解决交会对接任务规划的问题。 首先，把飞行器的交会对接过程分为以下四个主要阶段：1）远程交会段；2）近程交会段；3）对接阶段；和4）停靠阶段。定义了二体模型下的轨道约束，建立了各项约束下的飞行器交会对接相对动力学模型。推导并建立了基于角度测量的动力学模型，建立了基于角度和距离双重测量下的动力学模型。 其次，鉴于每个阶段的约束不同，测量设备的范围有限和任务种类的不同，每个阶段具有不同的操作模式。本文引入混合系统的控制技术，根据上述四个阶段的需求属性，分别设计了能够处理各阶段任务的独立控制器，提出了一个混合监督器，协调这四个独立控制器完成整个任务。 然后，本文分别对2DOF和3DOF下的交会对接任务，进行了详细分析，提出了满足各个阶段约束，且鲁棒的控制算法。在MATLAB中，对不同约束下的控制算法进行了仿真验证。而后在飞行器制导、导航和控制飞行软件系统中实现这种混合控制算法。得到的混合系统在环高保真仿真环境中进行测试和验证，所得的规划轨迹与仿真结果是相似的，可在规定时间内完成交会对接任务。最后，本文利用混合系统的典型验证系统C2E2、SDVTool和SpaceEx平台，验证了所提出的交会对接混合算法的安全性。 本文提出了一种新型的监督（混合）控制算法，用于飞行器的自主交会对接任务。与之前的交会对接算法使用的地面控制切换或预定控制切换方法相比，本文提出的算法可根据飞行器的飞行状态实时确认交会对接所处的阶段，自动选择当前阶段的控制器模式。在高保真环境下的实验表明，该交会对接混合控制算法可实现交会规划任务，混合系统验证平台实验结果表明，该混合控制算法具有安全性和鲁棒性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 线性交会

1.3.2 非线性交会

1.3.3 摄动交会

1.3.4 小结

1.4 研究目标与内容

第二章 飞行器自主交会的动力学模型

2.1 引言

2.2 二体模型

2.3 相对运动方程

2.4 本章小结

第三章 混合系统控制下的交会对接分析

3.1 引言

3.2 混合动态系统

3.3.1 任务概述

3.3.2 飞行器相对运动分析

3.3.3 交会对接各阶段划分

3.3.4 存在的控制形式分析

3.4.1 实验数据

3.4.2 实验结果

3.5 本章小结

第四章 2DOF下的混合监督控制

4.1 引言

4.2 2DOF下的交会对接任务分析

4.3 各阶段控制范围划定

4.3.1 远程段

4.3.2 近程段

4.3.3 交会段

4.3.4 停靠段

4.3.5 监督控制器

4.4 交会对接控制器的设计

4.4.2 近程段控制器 H c ， 2 的设计

4.4.3 交会停靠段控制器H c ，3、H c ，4 的设计

4.5 仿真算例

4.5.1 具体数值下的仿真模拟

4.5.2 MATLAB下的仿真

4.5.3 高保真平台测试

4.6 本章小结

第五章 3DOF下的混合监督控制

5.1 引言

5.2 3DOF下交会对接任务分析

5.3 混合反馈控制方案

5.3.1 远程段

5.3.2 近程段

5.3.3 对接段

5.3.4 停靠段

5.4 仿真算例

5.5安全性检验

5.5.1 验证方法

5.5.2 验证结果

5.6 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献