小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法技术

本发明专利技术公开的小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法，特别涉及一种基于扩张状态观测器的小天体悬停姿轨一体控制方法，属于深空探测领域。本发明专利技术实现方法包括如下步骤：步骤1，建立小天体悬停姿轨一体动力学模型；步骤2，通过构造扩张状态观测器，对影响系统输出的各种扰动作用进行实时估计，通过实时估计结果在非线性控制律中进行动态补偿，实现对复杂非线性系统的良好控制，降低环境扰动对系统控制精度的影响，从而实现探测器精确悬停在预定悬停点。本发明专利技术能够实现小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制，进而能够获得探测器相对目标悬停点的位置、速度以及姿态的全状态高精度控制，满足精确悬停任务需求。

Auto-disturbance rejection control method for hovering attitude-orbit coupling of small celestial bodies

The invention discloses a coupling active disturbance rejection control method for hovering attitude and orbit of small celestial bodies, in particular relates to an integrated control method for hovering attitude and orbit of small celestial bodies based on an extended state observer, belonging to the field of deep space exploration. The realization method of the present invention includes the following steps: step 1, establishing an integrated dynamics model of hovering attitude and orbit of small celestial bodies; step 2, estimating various disturbances affecting the output of the system in real time by constructing an extended state observer, and dynamically compensating the results of real-time estimation in the non-linear control law to achieve good control of complex non-linear systems and reduce environmental disturbances. The influence of the system control accuracy can realize the precise hovering of the detector at the predetermined hovering point. The invention can realize the coupling ADRC control of attitude and orbit of small celestial body hovering, and then can obtain the position, speed and attitude of the detector relative to the hovering point of the target with high precision, satisfying the requirement of the precise hovering task.

【技术实现步骤摘要】
小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法
本专利技术涉及一种小天体悬停控制方法，特别涉及一种基于扩张状态观测器的小天体悬停姿轨一体控制方法，属于深空探测领域。
技术介绍
小天体悬停探测是小天体探测任务的一个关键内容，单纯依靠地面观测难以对目标小天体的物理参数进行精确测量，需要在目标小天体附近进行长时间悬停探测，利用星载相机和激光雷达对目标天体地形数据库，不规则引力场，自旋状态等相关物理参数进行在轨测量。考虑到星载相机和激光雷达的指向需求，在传统的仅对探测器进行轨道控制的基础上，近年来各国研究人员针对小天体姿轨一体控制方法进行了大量研究。在实际任务过程中，由于动力学模型中探测器质量、转动惯量、引力场等参数存在不确定性和偏差，同时太阳光压、第三体引力摄动等外界未知扰动也对探测器运动产生较大的影响，从而进一步增加探测器的控制难度。因此，设计一种抑制系统内部不确定性和外部扰动的控制器是实现小天体定点悬停的关键。
技术实现思路
为了抑制系统的不确定性和干扰，本专利技术公开的小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法目的是：提供一种小天体悬停自抗扰姿轨一体控制方法，通过构造扩张状态观测器，对能够影响系统输出的各种扰动作用进行实时估计，并进行动态补偿，实现对复杂非线性系统的良好控制，降低环境扰动对系统控制精度的影响，从而实现探测器精确悬停在预定悬停点。本专利技术目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法，包括如下步骤：步骤1：建立小天体悬停姿轨一体动力学模型。式中，为探测器相对目标悬停点的对偶四元数，为的共轭，为探测器相对目标悬停点的角速度旋量在探测器本体坐标系下的投影，为目标悬停点的角速度旋量，为的导数，为探测器对偶惯量矩阵，为探测器对偶惯量矩阵的逆，为作用于探测器质心的对偶引力，为作用于探测器质心的对偶控制力，为作用于探测器质心的对偶扰动力。步骤2：通过构造扩张状态观测器，对影响系统输出的各种扰动作用进行实时估计，通过实时估计结果在非线性控制律中并进行动态补偿，实现对复杂非线性系统的良好控制，降低环境扰动对系统控制精度的影响，从而实现探测器精确悬停在预定悬停点。步骤2具体实现方法如下：步骤2.1：利用小天体悬停姿轨一体动力学模型中作为虚拟控制量对进行控制，使能够实现对的实时跟踪。控制目标是使跟踪目标值趋于0。影响小天体悬停姿轨一体动力学系统输出的各种扰动包括由于燃料消耗对偶惯量矩阵的变化和外界复杂环境带来的干扰期望达到状态对应的误差对偶四元数为为了达到利用虚拟控制量驱动的目的，设计虚拟控制量的形式如下其中fal(e,τi,δi),i＝1,2,3为非线性函数，表达式为α1，τ1，δ1为待整定的参数，通过调整待整定的参数α1，τ1，δ1，使能够实现对的实时跟踪。步骤2.2：构建扩张状态观测器，对步骤2.1所述的对偶惯量矩阵的变化和外界复杂环境带来的干扰进行实时估计。针对式(1)的第二式给出扩张状态观测器的形式其中，为观测器的输出，h1为观测器采样周期，β01，β02，τ2，δ2为待整定参数，通过调整待整定参数β01，β02，τ2，δ2，实现对步骤2.1所述的对偶惯量矩阵的变化和外界复杂环境带来的干扰实时估计。步骤2.3：利用跟踪微分器对角速度旋量误差进行平滑处理。利用如公式(5)所示跟踪微分器对角速度旋量误差进行平滑处理。其中，fhan(x1,x2,r,h)为最速跟踪控制综合函数，参数r0为跟踪微分器的快速因子，参数h0为跟踪微分器的滤波因子，h2为积分步长，其表达式为步骤2.4：将步骤2.2所述的扩张状态观测器估计出的系统扰动与步骤2.3所述的跟踪微分器产生的跟踪信号进行组合，得到控制系统最终的控制量，实现对复杂非线性系统的良好控制，降低环境扰动对系统控制精度的影响，从而实现探测器精确悬停在预定悬停点。对于步骤1所述的小天体悬停姿轨一体动力学系统，将步骤2.2所述的扩张状态观测器估计出的系统扰动与步骤2.3所述的跟踪微分器产生的跟踪信号进行组合，得到控制系统最终控制律为其中，α2，τ3，δ3为待整定的参数。通过调整待整定参数α2，τ3，δ3得到控制系统最终的控制量，实现对复杂非线性系统的良好控制，降低环境扰动对系统控制精度的影响，从而实现探测器精确悬停在预定悬停点。有益效果：1、本专利技术公开的小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法，针对系统内部参数摄动和外部干扰等不确定性，通过构造扩张状态观测器，对影响系统输出的各种扰动作用进行实时估计，通过实时估计结果在非线性控制律中并进行动态补偿，实现对复杂非线性系统的良好控制，降低环境扰动对系统控制精度的影响，从而实现探测器精确悬停在预定悬停点。2、本专利技术公开的小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法，实现小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制，进而能够获得探测器相对目标悬停点的位置、速度以及姿态的全状态高精度控制，满足精确悬停任务需求。附图说明图1为本专利技术公开的小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法的流程图；图2为具体实施方式中控制方法的控制回路；图3为具体实施方式中探测器位置在小天体固连坐标系下的误差变化；图4为具体实施方式中探测器速度在小天体固连坐标系下的误差变化；图5为具体实施方式中探测器姿态误差变化；图6为具体实施方式中探测器角速度在小天体固连坐标系下的误差变化；图7为具体实施方式中探测器在小天体质心惯性系下的悬停轨迹。具体实施方式为了更好的说明本专利技术的目的和优点，下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。实施例1：为了验证方法的可行性，针对小天体悬停姿轨耦合控制问题，探测器在小天体固连系下的初始位置为[-500,15000,500]Tm，初始速度为[0.05,0.02,-0.03]Tm/s，初始姿态为[0.4359,0.6,-0.6,0.3]T，初始角速度为[-0.05,0.1,0.05]Trad/s。如图1所示，本实例公开的小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法，具体实施方法如下：步骤1：建立小天体悬停姿轨一体动力学模型。式中，为探测器相对目标悬停点的对偶四元数，为的共轭，为探测器相对目标悬停点的角速度旋量在探测器本体坐标系下的投影，为目标悬停点的角速度旋量，为的导数，为探测器对偶惯量矩阵，为探测器对偶惯量矩阵的逆，为作用于探测器质心的对偶引力，为作用于探测器质心的对偶控制力，为作用于探测器质心的对偶扰动力。步骤2：通过构造扩张状态观测器，对影响系统输出的各种扰动作用进行实时估计，通过实时估计结果在非线性控制律中并进行动态补偿，实现对复杂非线性系统的良好控制，降低环境扰动对系统控制精度的影响，从而实现探测器精确悬停在预定悬停点。步骤2具体实现方法如下：步骤2.1：利用小天体悬停姿轨一体动力学模型中作为虚拟控制量对进行控制，使能够实现对的实时跟踪。控制目标是使跟踪目标值趋于0。影响小天体悬停姿轨一体动力学系统输出的各种扰动包括由于燃料消耗对偶惯量矩阵的变化和外界复杂环境带来的干扰期望达到状态对应的误差对偶四元数为为了达到利用虚拟控制量驱动的目的，设计虚拟控制量的形式如下其中fal(e,τi,δi),i＝1,2,3为非线性函数，表达式为α1，τ1，δ1为待整定的参数，通过调整待整定的参数α1，τ1，δ1，使能够实现对的实时跟踪。步骤2.2：构建扩张状态观测器，对步骤2.1所述的对偶惯量矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：建立小天体悬停姿轨一体动力学模型；

【技术特征摘要】
1.小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：建立小天体悬停姿轨一体动力学模型；式中，为探测器相对目标悬停点的对偶四元数，为的共轭，为探测器相对目标悬停点的角速度旋量在探测器本体坐标系下的投影，为目标悬停点的角速度旋量，为的导数，为探测器对偶惯量矩阵，为探测器对偶惯量矩阵的逆，为作用于探测器质心的对偶引力，为作用于探测器质心的对偶控制力，为作用于探测器质心的对偶扰动力；步骤2：通过构造扩张状态观测器，对影响系统输出的各种扰动作用进行实时估计，通过实时估计结果在非线性控制律中进行动态补偿，实现对复杂非线性系统的良好控制，降低环境扰动对系统控制精度的影响，从而实现探测器精确悬停在预定悬停点。2.如权利要求1所述的小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法，其特征在于：步骤2具体实现方法如下，步骤2.1：利用小天体悬停姿轨一体动力学模型中作为虚拟控制量对进行控制，使能够实现对的实时跟踪；步骤2.2：构建扩张状态观测器，对步骤2.1所述的对偶惯量矩阵的变化和外界复杂环境带来的干扰进行实时估计；步骤2.3：利用跟踪微分器对角速度旋量误差进行平滑处理；步骤2.4：将步骤2.2所述的扩张状态观测器估计出的系统扰动与步骤2.3所述的跟踪微分器产生的跟踪信号进行组合，得到控制系统最终的控制量，实现对复杂非线性系统的良好控制，降低环境扰动对系统控制精度的影响，从而实现探测器精确悬停在预定悬停点。3.如权利要求2所述的小天体悬停姿轨耦合自抗扰控制方法，其特征在于：步骤2.1具体实现方法为，控制目标是使跟踪目标值趋于0；影响小天体悬停姿轨一体动力学系统输出的各种扰动包括由于燃料消耗对偶...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔平远，付文涛，朱圣英，徐瑞，刘阳，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11