鲁棒微分博弈控制的多微卫星姿态接管失效航天器方法技术

本发明专利技术涉及一种基于事件触发鲁棒微分博弈控制的多微卫星姿态接管失效航天器方法，针对贴附在失效航天器表面的多颗微卫星和失效航天器形成的组合体，将存在干扰的姿态接管控制问题建模为多颗微卫星以及干扰之间的博弈问题，避免了控制的分配，并有效抑制了干扰。通过建立组合体的线性化姿态动力学模型和每颗微卫星的性能指标函数得到微分博弈模型；之后，通过优化性能指标函数得到并求解HJ方程，可得状态反馈控制策略表达式，可直接在线使用。通过设计触发机制，控制器仅能在触发时得到系统更新的状态，并更新状态反馈控制量，在未触发时采用触发时刻的控制，既保证了稳定性，又减少了个体间的通讯和控制器的频繁计算。

【技术实现步骤摘要】
鲁棒微分博弈控制的多微卫星姿态接管失效航天器方法
本专利技术属于失效航天器姿态接管方法，涉及一种基于事件触发鲁棒微分博弈控制的多微卫星姿态接管失效航天器方法。
技术介绍
文献“Integratedidentificationandcontrolfornanosatellitesreclaimingfailedsatellite,ActaAstronautica,2018”公开了一种辨识与控制一体化的多纳星姿态接管控制方法。该方法的控制部分基于李雅普诺夫稳定性定律设计控制律，并将控制力矩分配问题归纳为QP问题来解决，较好的解决了多星接管控制问题。文献所述方法通过先求解总控制再分配给纳星，对中心节点的计算压力大；频繁控制变化会导致执行机构的快速老化；另外文献并未考虑外界干扰问题。采用文献“Aperiodicadaptivecontrolforneural-network-basednonzero-sumdifferentialgames:Anovelevent-triggeringstrategy，ISATransactions，2019”公开了一种事件触发微分博弈控制方法。该方法在传统微分博弈基础上，设计了两种事件触发机制，一种是基于李亚普诺夫理论的触发条件，是与当前状态有关的时变条件，作为系统的稳定性保证；另一种是与状态无关的周期性触发条件，保证足够的采样，使系统的稳态性能更好；另外，还利用神经网络去学习出发条件和控制策略，以实现不基于模型的控制。文献所述方法中神经网络参数收敛需要较长时间，并不适合航天任务；且文献并未考虑外界干扰。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于事件触发鲁棒微分博弈控制的多微卫星姿态接管失效航天器方法，克服失效航天器接管控制方法计算压力大的不足。技术方案一种基于事件触发鲁棒微分博弈控制的多微卫星姿态接管失效航天器方法，其特征在于步骤如下：步骤1、控制系统模块划分：将控制系统划分为：组合体姿态模型、测量环节、触发环节、保持器环节、控制环节、执行环节和干扰环节；步骤2、组合体动力学模型建模：以组合体动力学模型和个体性能指标函数组成微分博弈模型，利用三个欧拉角γ,θ,ψ来描述姿态，得到线性化的姿态运动学模型为：其中，ω0为圆轨道假设的轨道角速度，r为轨道半径；组合体的姿态动力学方程为：其中，N为微卫星的个数；J∈R3×3为组合体在惯性主轴坐标系下的转动惯量矩阵；Gj∈R3×3为微小卫星j本体坐标系到惯性主轴坐标系的转换矩阵；Gj＝ΦTCj；Cj∈R3×3为微卫星j本体坐标系到参考坐标系的转换矩阵；Φ∈R3×3为惯性主轴坐标系到参考坐标系的转换矩阵；uj∈R3为微小卫星j在本体坐标系下的控制力矩；v∈R3为外部干扰力矩；联立上两式得组合体的动力学模型：其中，且其中，Jx,Jy,Jz为J的对角向量；步骤3、鲁棒微分博弈控制设计：1、微卫星与干扰的微分博弈问题描述为：其中，ui表示第i个微小卫星的控制策略；表示除了第i个微小卫星以外的其他微小卫星的控制策略；vT(t)Ti(t)v(t)表示外部干扰力矩对性能指标的影响，使Ji最大化；加权矩阵Qi(t)＞0,Rii(t)＞0,Rij(t)＞0,Wi(t)＞0均为与时间无关的对称矩阵；Ψ(Ω)为可行控制策略集；2、控制律设计基于HJ方程，得到任意微小卫星j的反馈控制策略为：干扰的最优反馈控制策略为：设得到状态反馈控制策略：v*＝Ti-1DTPix其中，反馈增益矩阵离线计算得到，在线只需在状态更新后重新计算控制量；步骤4、事件触发机制设计：定义采样时刻为则输入到控制器的任意时刻的状态量为：对应于该状态的控制量为：当前时刻的采样状态与实际状态的差为：根据李雅普诺夫稳定性理论设计触发条件：其中，a,b均为设计参数，0＜a＜1,0＜b＜1；Li满足由于：保证了系统的稳定性。有益效果本专利技术提出的一种基于事件触发鲁棒微分博弈控制的多微卫星姿态接管失效航天器方法，针对贴附在失效航天器表面的多颗微卫星和失效航天器形成的组合体，将存在干扰的姿态接管控制问题建模为多颗微卫星以及干扰之间的博弈问题，避免了控制的分配，并有效抑制了干扰。通过建立组合体的线性化姿态动力学模型和每颗微卫星的性能指标函数得到微分博弈模型；之后，通过优化性能指标函数得到并求解HJ方程，可得状态反馈控制策略表达式，可直接在线使用。通过设计触发机制，控制器仅能在触发时得到系统更新的状态，并更新状态反馈控制量，在未触发时采用触发时刻的控制，既保证了稳定性，又减少了个体间的通讯和控制器的频繁计算。本专利技术的有益效果是：采用基于事件触发鲁棒微分博弈控制的方法进行失效航天器姿态接管，将外部干扰视为博弈参与者，转化为微分博弈问题，避免了传统方法的控制分配，并结合事件触发机制在避免大量通讯的情况下实现失效航天器的姿态接管控制。附图说明图1是姿态接管控制方法原理框图图2是本专利技术方法的触发过程图。图3是本专利技术方法的组合体姿态角变化图。图4是本专利技术方法的组合体姿态角速度变化图。图5是本专利技术方法的微卫星1控制力矩变化图。图6是本专利技术方法的微卫星2控制力矩变化图。图7是本专利技术方法的微卫星3控制力矩变化图。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于事件触发鲁棒微分博弈控制的失效航天器接管控制方法，其特点是包括下述设计步骤：步骤一、控制系统模块划分。图1为多微卫星对失效航天器进行姿态接管控制的原理框图。整个控制系统可以划分为：组合体姿态模型、测量环节、触发环节、保持器环节、控制环节、执行环节、干扰环节。步骤二、组合体动力学模型建模。微分博弈模型由组合体动力学模型和个体性能指标函数组成。利用三个欧拉角γ,θ,ψ来描述姿态，可得到线性化的姿态运动学模型为其中，ω0为圆轨道假设的轨道角速度，r为轨道半径。组合体姿态运动受到的控制力矩一部分来自于微小卫星，一部分来自于干扰力矩，因此组合体的姿态动力学方程为其中，N为微卫星的个数；J∈R3×3为组合体的转动惯量矩阵；Cj∈R3×3为微小卫星j本体坐标系到惯性主轴坐标系的转换矩阵；uj∈R3为微小卫星j在本体坐标系下的控制力矩；v∈R3为目标航天器的控制力矩。联立(1)(2)式可得组合体的动力学模型其中，且步骤三、鲁棒微分博弈控制设计。(1)微分博弈模型组合体的微分博弈模型由组合体的动力学模型和性能指标函数得到。组合体的动力学模型如式(3)所示，微小卫星的性能指标函数可以定义为其中，ui表示第i个微小卫星的控制策略；表示除了第i个微小卫星以外的其他微小卫星的控制策略；vT(t)Ti(t)v(t)表示外部干扰力矩对性能指标的影响，使Ji最大化；加权矩阵Qi(t)＞0,Rii(t)＞0,Rij(t)＞0,Wi(t)＞0均为与时间无关的对称矩阵。微卫星期望通过独立优化各自的性能指标函数获得控制策略，以实现目标航天器的姿态稳定。利用值函数表示为，其中，Ψ(Ω)为可行控制策略集。微卫星期望使性能指标函数最小化，而干扰力矩会使性能指标函数增大。为了保证控制稳定性，通过求解使性能指标函数最大的干扰力矩以及其对应的使性能指标函数最小的微卫星反馈控制力矩，即满足其中，反馈控制策略为对应v*的纳什均衡解。因本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于事件触发鲁棒微分博弈控制的多微卫星姿态接管失效航天器方法，其特征在于步骤如下：步骤1、控制系统模块划分：将控制系统划分为：组合体姿态模型、测量环节、触发环节、保持器环节、控制环节、执行环节和干扰环节；步骤2、组合体动力学模型建模：以组合体动力学模型和个体性能指标函数组成微分博弈模型，利用三个欧拉角γ,θ,ψ来描述姿态，得到线性化的姿态运动学模型为：

【技术特征摘要】
1.一种基于事件触发鲁棒微分博弈控制的多微卫星姿态接管失效航天器方法，其特征在于步骤如下：步骤1、控制系统模块划分：将控制系统划分为：组合体姿态模型、测量环节、触发环节、保持器环节、控制环节、执行环节和干扰环节；步骤2、组合体动力学模型建模：以组合体动力学模型和个体性能指标函数组成微分博弈模型，利用三个欧拉角γ,θ,ψ来描述姿态，得到线性化的姿态运动学模型为：其中，ω0为圆轨道假设的轨道角速度，r为轨道半径；组合体的姿态动力学方程为：其中，N为微卫星的个数；J∈R3×3为组合体在惯性主轴坐标系下的转动惯量矩阵；Gj∈R3×3为微小卫星j本体坐标系到惯性主轴坐标系的转换矩阵；Gj＝ΦTCj；Cj∈R3×3为微卫星j本体坐标系到参考坐标系的转换矩阵；Φ∈R3×3为惯性主轴坐标系到参考坐标系的转换矩阵；uj∈R3为微小卫星j在本体坐标系下的控制力矩；v∈R3为外部干扰力矩；联立上两式得组合体的动力学模型：其中，且其中，Jx,Jy,Jz...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗建军，柴源，韩楠，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61