外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法及系统，方法包括如下步骤：建立领导者航天器和多个跟随者航天器的动力学和运动学模型；在每个跟随者航天器中设置状态观测器，通过状态观测器来估计领导者航天器的姿态和角速度；建立状态观测器和跟随者航天器自身状态的误差数学模型；根据误差数学模型设置自适应预设性能控制器，通过自适应预设性能控制器，使误差始终保持在预设的性能约束函数之内。本发明专利技术可使多航天器系统在收到外部扰动的情况下正常快速地达到姿态一致，能够实现真正的分布式控制，无需全局信息；可使稳态下的误差耦合项始终保持在规定的预设性能函数内；具有较强的鲁棒性，能够有效应对外部扰动。部扰动。部扰动。

【技术实现步骤摘要】
外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及航空航天飞行控制
，特别涉及一种外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法及系统。

技术介绍

[0002]随着航天任务多样化，多航天器飞行研究得到迅速发展，姿态协同作为多航天器飞行基础技术，是当前多航天器飞行控制的重要一环。多航天器个体之间通过信息传递，不断调整自身姿态到达一致。在实际太空环境中，航天器会受到重力、稀薄大气阻力、太阳辐射等引起的未知干扰力矩的影响，极大程度上影响到航天器的控制，使得子航天器不能达到一致，对多航天器飞行任务造成不良影响。因此，研究受扰多航天器系统的控制方法具有重要的意义，亟需一种更加可靠的控制方法。
[0003]应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是，针对上述
技术介绍
中存在的不足，提供一种外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方案，以使多航天器系统在收到外部扰动的情况下正常快速地达到姿态一致，尽可能避免不良影响。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法，包括如下步骤：
[0006]S1，建立领导者航天器和多个跟随者航天器的动力学和运动学模型；
[0007]S2，在每个跟随者航天器中设置状态观测器，通过状态观测器来估计领导者航天器的姿态和角速度；
[0008]S3，建立状态观测器和跟随者航天器自身状态的误差数学模型；
[0009]S4，根据误差数学模型设置自适应预设性能控制器，通过自适应预设性能控制器，使误差始终保持在预设的性能约束函数之内。
[0010]进一步地，S1中领导者航天器基于姿态四元数的运动学和动力学方程如下：
[0011][0012]ω0＝Wv
[0013][0014]其中为领导者的姿态单位四元数，为领导者的角速度，x
×
为斜对称阵，具体定义如下：
[0015][0016]跟随者航天器基于姿态四元数的运动学和动力学方程如下：
[0017][0018][0019][0020]其中为跟随者的姿态单位四元数，为跟随者的角速度，为正定惯量矩阵，u
i
为控制力矩，T
di
为干扰力矩。
[0021]进一步地，S2中第i个跟随者航天器通过以下状态观测器来估计领导者航天器的状态：
[0022][0023][0024][0025][0026]其中为姿态四元数估计值，为角速度估计值，μ1，μ2>0为可调参数，η0(t)＝q0(t)，ξ0(t)＝ω0(t)，为第i个跟随者航天器邻居的集合。
[0027]进一步地，S3中状态观测器与跟随者航天器之间的误差如下：
[0028][0029][0030][0031]其中为姿态误差，为角速度误差，k
i
>0为可调参数，式中
[0032]在第i个跟随者航天器中建立的误差运动学和误差动力学方程如下：
[0033][0054]其中，r
i1
、r
i2
、n
i
＞0都是可调参数，p
i
(0)已知。
[0055]本专利技术还提供了一种外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制系统，包括领导者航天器、跟随者航天器、状态观测器以及自适应预设性能控制器，所述状态观测器位于所述跟随者航天器上，用于估计领导者航天器的姿态和角速度，所述自适应预设性能控制器依据所述状态观测器和所述跟随者航天器自身状态的误差数学模型，控制所述跟随者航天器的姿态，使误差始终保持在预设的范围之内。
[0056]本专利技术的上述方案有如下的有益效果：
[0057]本专利技术提供的外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方案，在跟随者航天器中设计了状态观测器用来估计领导者航天器的状态信息，并在此基础上提出了一种自适应预设性能控制器，可使多航天器系统在收到外部扰动的情况下正常快速地达到姿态一致，能够实现真正的分布式控制，无需全局信息；自适应预设性能控制器可使稳态下的误差耦合项始终保持在规定的预设性能函数内；具有较强的鲁棒性，能够有效应对外部扰动，在此控制器作用下的姿态误差为最终一致有界；
[0058]本专利技术的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0059]图1为本专利技术的仿真拓扑图；
[0060]图2为跟随者航天器1误差耦合项曲线；
[0061]图3为跟随者航天器2误差耦合项曲线；
[0062]图4为跟随者航天器3误差耦合项曲线；
[0063]图5为跟随者航天器4误差耦合项曲线。
具体实施方式
[0064]为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。此外，下面所描述的本专利技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0065]在本专利技术的描述中，为了简单说明，该方法或规则作为一系列操作来描绘或描述，其目的既不是对实验操作进行穷举，也不是对实验操作的次序加以限制。例如，实验操作可以各种次序进行和/或同时进行，并包括其他再次没有描述的实验操作。此外，所述的步骤不都是在此描述的方法和算法所必备的。本领域技术人员可以认识和理解，这些方法和算法可通过状态图或项目表示为一系列不相关的状态。
[0066]本专利技术涉及航空航天飞行控制
，姿态协同作为多航天器飞行基础技术，是当前多航天器飞行控制的重要一环，多航天器个体之间通过信息传递，不断调整自身姿态到达一致。在实际太空环境中，航天器会受到重力、稀薄大气阻力、太阳辐射等引起的未知干扰力矩的影响，极大程度上影响到航天器的控制，使得子航天器不能达到一致，对多航天器飞行任务造成不良影响。研究受扰多航天器系统的控制方法具有重要的意义，基于此，
本专利技术的实施例1提供了一种外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法，旨在解决上述问题。
[0067]该方法具体包括如下步骤：
[0068]S1：设置一组含有虚拟领导者航天器和多个跟随者航天器的多航天器系统作为研究对象，将航天器视为刚体，建立航天器动力学和运动学模型。
[0069]其中，领导者航天器基于姿态四元数的运动学和动力学方程如下：
[0070][0071]ω0＝Wv
[0072][0073]其中为领导者的姿态单位四元数，为领导者的角速度，x
×
为斜对称阵，具体定义如下：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，建立领导者航天器和多个跟随者航天器的动力学和运动学模型；S2，在每个跟随者航天器中设置状态观测器，通过状态观测器来估计领导者航天器的姿态和角速度；S3，建立状态观测器和跟随者航天器自身状态的误差数学模型；S4，根据误差数学模型设置自适应预设性能控制器，通过自适应预设性能控制器，使误差始终保持在预设的性能约束函数之内。2.根据权利要求1所述的外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法，其特征在于，S1中领导者航天器基于姿态四元数的运动学和动力学方程如下：ω0＝Wv其中为领导者的姿态单位四元数，为领导者的角速度，x
×
为斜对称阵，具体定义如下：跟随者航天器基于姿态四元数的运动学和动力学方程如下：跟随者航天器基于姿态四元数的运动学和动力学方程如下：跟随者航天器基于姿态四元数的运动学和动力学方程如下：其中为跟随者的姿态单位四元数，为跟随者的角速度，为正定惯量矩阵，u
i
为控制力矩，T
di
为干扰力矩。3.根据权利要求2所述的外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法，其特征在于，S2中第i个跟随者航天器通过以下状态观测器来估计领导者航天器的状态：在于，S2中第i个跟随者航天器通过以下状态观测器来估计领导者航天器的状态：
其中为姿态四元数估计值，为角速度估计值，μ1，μ2>0为可调参数，η0(t)＝q0(t)，ξ0(t)＝ω0(t)，为第i个跟随者航天器邻居的集合。4.根据权利要求3所述的外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法，其特征在于，S3中状态观测器与跟随者航天器之间的误差如下：在于，S3中状态观测器与跟随者航天器之间的误差如下：在于，S3中状态观测器与跟随者航天器之间的误差如下：其中为姿态误差，为角速度误差，k
i
>0为可调参数，式中在第i个跟随者航天器中建立的误差运动学和误差动力学方程如下：在第i个跟随者航天器中建立的误差运动学和误差动力学方程如下：在第i个跟随者航天器中建立的误差运动学和误差动力学方程如下：其中其中其中其中5.根据权利要求4所述的外部扰动下的多航天器姿态跟踪预设性能控制方法，其特征在于，S4中预设性能函数为：
‑
b
iy
ρ
iy
＜z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文峰，李自闯，戴明哲，彭涛，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：