一种空间非合作目标安全避障交会控制方法技术

本公开实施例中提供了一种空间非合作目标安全避障交会控制方法，属于控制技术领域，具体包括：步骤1，根据空间非合作目标和服务航天器的运动参数构建空间非合作目标和服务航天器的动力学模型；步骤2，根据目标势函数、障碍物势函数、交会以及速度安全走廊势函数构建人工势场；步骤3，根据空间非合作目标和服务航天器对应的动力学模型，以及所构建的人工势场函数和性能函数，设计预设性能滑模面实现避障交会控制。通过本公开的方案，提出速度安全走廊势函数能够约束服务航天器全局速度，安全性能进一步增加；结合预设性能方法对系统误差项进行性能约束，在此基础上构建的滑模控制器能够实现障碍物规避和非合作目标安全交会并简化控制过程。化控制过程。化控制过程。

【技术实现步骤摘要】
一种空间非合作目标安全避障交会控制方法


[0001]本公开实施例涉及控制
，尤其涉及一种空间非合作目标安全避障交会控制方法。

技术介绍

[0002]空间非合作目标交会对接技术是指航天器与非合作目标在空间轨道上构成刚性连接的技术，是实现空间在轨维修、空间碎片清理等航天任务的前提和关键。随着航天事业的不断发展和人类空间活动的日益频繁，空间目标的数量也在不断增加，这在一定程度上导致了空间环境的恶化。现有的部分轨迹规划和控制方法忽略了交会路径中太阳帆、在轨卫星以及航天器解体碎片等障碍物的影响，一旦服务航天器与之发生碰撞，可能直接导致寿命缩短，甚至部分组件损毁。
[0003]对于非合作目标避障交会任务，常见的滑模控制方法、模型预测控制方法、人工势场控制方法以及基于优化的方法等虽然能够实现障碍物规避与安全交会，但存在以下几点缺陷：现有的控制方法大多面向受控系统的瞬态和稳态性能(超调量、稳态误差等)其中之一，不能同时保证；基于人工势函数的方法虽然具有效率高、计算简单等特点，但难以摆脱其本质上为运动学范畴的局限性，无法反映被控系统的动力学信息；基于优化的方法控制精度相对较高，但由于目前卫星的载荷限制，很难为优化过程提供足够的计算资源。
[0004]可见，亟需一种能简化控制过程、提高交会安全性的空间非合作目标安全避障交会控制方法。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本公开实施例提供一种空间非合作目标安全避障交会控制方法，至少部分解决现有技术中存在安全性和控制效率较差的问题。
[0006]本公开实施例提供了一种空间非合作目标安全避障交会控制方法，包括：
[0007]步骤1，根据空间非合作目标和服务航天器的运动参数构建空间非合作目标和服务航天器的动力学模型；
[0008]步骤2，根据目标势函数、障碍物势函数、交会以及速度安全走廊势函数构建人工势场；
[0009]步骤3，根据空间非合作目标和服务航天器对应的动力学模型，以及所构建的人工势场函数和性能函数，设计预设性能滑模面实现避障交会控制。
[0010]根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述动力学模型的表达式为
[0011][0012]其中，
[0013][0014]r＝[x，y，z]T
为相对位置矢量，r
c
，r
t
分别表示服务航天器和非合作目标相对于地球质心的相对位置矢量，r
c
，r
t
为两者对应标量，u表示施加在服务航天器上的控制加速度，μ＝3.9860
×
10
14
m3·
s
‑2表示地球重力常数，分别为非合作目标的真近点角，瞬时角速度和瞬时角加速度，e表示非合作目标的轨道偏心率，d为额外干扰，满足||d||≤D，D为正常数。
[0015]根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述人工势场函数包括目标引力势函数、椭圆蔓叶面安全交会走廊势函数、障碍物斥力势函数和速度安全走廊势函数。
[0016]根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤2具体包括：
[0017]步骤2.1，构建目标引力势函数的表达式为
[0018][0019]其中，Δx
p
＝[e
x
，e
y
，e
z
]T
，Δx
v
＝[e
vx
，e
vy
，e
vz
]T
分别表示位置误差向量和速度误差向量，P
p
，P
v
是正定矩阵，代表目标引力增益；
[0020]步骤2.2，选择椭圆蔓叶面作为交会安全走廊，以Gaussian函数进行表征，并引入一个包含位置误差向量的二次项，得到椭圆蔓叶面安全走廊势函数的表达式为
[0021][0022]其中，P
s
为正定矩阵，ψ
s
表示交会安全走廊函数；
[0023]步骤2.3，定义单个障碍物的斥力势函数并扩展至多个障碍物的情况，得到障碍物斥力势函数的表达式为
[0024][0025]其中，P
o
为正定矩阵，n表示障碍物个数，ψ
ro
表示单个障碍物斥力势函数；
[0026]步骤2.4，构建速度安全走廊势函数的表达式为
[0027][0028]其中，λ
1v
，λ
2v
＞0，P
v
为正定矩阵，v＝[v
x
，v
y
，v
z
]T
，k为常数比例因子。
[0029]根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述步骤3具体包括：
[0030]步骤3.1，根据人工势场函数得到反馈控制量；
[0031]步骤3.2，引入性能函数，结合预设性能的方法对系统误差项进行性能约束，基于人工势场和受约束的误差项构建滑模面，并设计滑模控制器。
[0032]根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述滑模控制器的表达式为
[0033][0034]其中，H，R均为误差转换过程中涉及到的函数，e
v
表示相对速度误差，ε1，ε2均为正定矩阵，s表示所构建的滑模面，函数表示：ε为常数，表示总势场函数。
[0035]本公开实施例中的空间非合作目标安全避障交会控制方案，包括：步骤1，根据空间非合作目标和服务航天器的运动参数构建空间非合作目标和服务航天器的动力学模型；步骤2，根据目标势函数、障碍物势函数、交会以及速度安全走廊势函数构建人工势场；步骤3，根据空间非合作目标和服务航天器对应的动力学模型，以及所构建的人工势场函数和性能函数，设计预设性能滑模面实现避障交会控制。
[0036]本公开实施例的有益效果为：通过本公开的方案，所提出速度安全走廊势函数能够约束服务航天器全局速度，从而避免因速度过快导致失控发生碰撞，安全性能进一步增加；结合预设性能方法对系统误差项进行性能约束，在此基础上构建的滑模控制器能够实现障碍物规避和非合作目标安全交会。
附图说明
[0037]为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0038]图1为本公开实施例提供的一种空间非合作目标安全避障交会控制方法的流程示意图；
[0039]图2为本公开实施例提供的一种2D椭圆蔓叶面表示示意图；
[0040]图3为本公开实施例提供的一种3D椭圆蔓叶面表示示意图；
[0041]图4为本公开实施例提供的三种方法控制下的避障交会轨迹示意图；
[0042]图5为本公开实施例提供的三条轨迹与第一个障碍物的距离示意图；
[0043]图6为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间非合作目标安全避障交会控制方法，其特征在于，包括：步骤1，根据空间非合作目标和服务航天器的运动参数构建空间非合作目标和服务航天器的动力学模型；步骤2，根据目标势函数、障碍物势函数、交会以及速度安全走廊势函数构建人工势场；步骤3，根据空间非合作目标和服务航天器对应的动力学模型，以及所构建的人工势场函数和性能函数，设计预设性能滑模面实现避障交会控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动力学模型的表达式为其中，其中，r＝[x，y，z]
T
为相对位置矢量，r
c
，r
t
分别表示服务航天器和非合作目标相对于地球质心的相对位置矢量，r
c
，r
t
为两者对应标量，u表示施加在服务航天器上的控制加速度，μ＝3.9860
×
10
14
m3·
s
‑2表示地球重力常数，θ，分别为非合作目标的真近点角，瞬时角速度和瞬时角加速度，e表示非合作目标的轨道偏心率，d为额外干扰，满足||d||≤D，D为正常数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述人工势场函数包括目标引力势函数、椭圆蔓叶面安全交会走廊势函数、障碍物斥力势函数和速度安全走廊势函数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：步骤2.1，构建目标引力势函数的表达式为其中，Δx
p
＝[e
x
，e
y
，e
z
]
T
，Δx
υ
＝[e
υx
，e

【专利技术属性】
技术研发人员：殷泽阳，邢友朋，魏才盛，陈晓方，谢永芳，廖宇新，谢世文，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：