【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航天器轨迹姿态一体化控制领域，尤其是涉及一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法。
技术介绍
1、航天器是指按照天体力学运行规律在太空运行，负责执行探索、开发、利用太空和天体等复杂航天任务的空间飞行器。为完成日益复杂的航天任务，航天器结构日益复杂，导致柔性振动越来越大。为完成长时间在轨运行的控制目标，航天器需要携带越来越多的液体燃料，进一步破坏航天器系统稳定性。此外，航天器还可能面临与其他航天器、目标和空间障碍物发生碰撞的威胁，因此在轨运行时还需要满足姿态角及避障约束。因此，研究与之相关的科学问题具有带动性，为航天器安全平稳运行、提高在轨运行能力提供新思路。
2、在柔性附件振动、液体燃料晃动及避障约束影响下的姿态控制方面，国内外学者已进行了相关探索与研究，目前存在的不足主要体现在以下几个方面：(1)在航天器姿态与轨道控制研究工作中，将姿态与轨道分开设计，然后独立设计控制器，忽略了轨道动力学与姿态动力学之间耦合的影响；(2)现有的建模与控制大都单独考虑刚柔或刚液航天器，研究刚柔液耦合航天器建模与控制尚未成熟；(3)航天器姿态轨迹控制中，较少综合考虑刚柔液耦合、姿态约束、避障约束等问题。因此，一体化建立刚柔液耦合航天器轨道动力学模型及姿态动力学模型，并进行姿轨协同控制是未来发展的趋势与需要解决的关键问题，具有重要的理论意义及工程价值。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，实现刚柔液耦合航天器轨迹姿态一体化
2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，包括以下步骤：
3、基于动量守恒理论，分析刚-柔、刚-液耦合作用，建立刚柔、刚液耦合航天器轨迹姿态一体化动力学模型，综合分析刚柔液三种耦合关系，基于lie群se(3)理论，建立刚柔液耦合航天器轨迹姿态一体化动力学跟踪误差模型，为以下控制器设计奠定基础；
4、其次，建立刚柔液耦合航天器的姿态约束、避障约束和输入约束，基于姿态约束与避障约束与势函数理论得到明亮物体和障碍物施加给航天器的附加作用力，结合明亮物体和障碍物施加给航天器的附加作用力得到控制器；
5、最后，在控制器的基础上设计饱和控制器解决控制输入约束问题，实现刚柔液耦合航天器轨迹姿态一体化控制。
6、优选的，基于动量守恒理论及拉格朗日原理，建立刚柔耦合航天器轨迹姿态一体化动力学模型为：
7、
8、其中，mf与jf为刚柔航天器的质量与转动惯量，v为速度，mkf为标称点k的质量，rbk为航天器质心到柔性附件与刚体连接处的距离，ω为角速度，刚柔平动耦合矩阵转动耦合矩阵χ为柔性振动，fg和mg为重力梯度力和重力梯度力矩，md和fd为干扰力和干扰力矩，为地球扁率引起的扰动力，fc和mc为控制力与控制力矩，mg、fg与分别为j2＝0.00108263是因地球扁率扰动的扰动常数，r∈so(3)表示航天器本体坐标系到地球惯性系的旋转矩阵，i3为单位矩阵，μ＝3.9860047×1014m3s-2为地球标准引力参数，re＝6378.14km为地球赤道处的半径，c0＝diag([113])，p是航天器本体坐标系在地球惯性系中的位置矢量，pz表示平移向量p的z轴分量；cf＝diag{2εiωi}与分别为柔性附件的柔性矩阵于刚度矩阵，εi为第i阶模态的阻尼比，ωi为模态的固有频率。
9、优选的，刚液耦合航天器轨迹姿态一体化动力学模型为
10、
11、其中，ml为液体燃料的总质量，rl为其到质心的距离，标称点k的速度矢量ω(k)为点k的角速度，与为刚液平动耦合矩阵与刚液转动耦合矩阵，mη＝[ml1 ml1 ml2 ml2]t为晃动液体质量矩阵，cl＝[ci1 ci1 ci2 ci2]t为晃动液体柔性矩阵，kl＝[kl1 kl1 kl2 kl2]t为晃动液体刚度矩阵，η为晃动液体模态值。
12、优选的，基于lie群se(3)理论，建立刚柔液耦合航天器轨迹姿态一体化动力学跟踪误差模型为
13、
14、其中，ξ＝diag(j,mi3)∈r6×6是一个对称正定矩阵，ξe＝ξ-ξd为航天器跟踪误差，是航天器的速度矢量ξ的反伴随映射，ξ＝[vtωt]t，是航天器的速度矢量ξ的伴随映射，伴随矩阵映射re为旋转矩阵误差，pe为航天器本体坐标系在地球惯性系中的位置矢量误差，
15、vd与ωd分别为期望速度与角速度，γd＝[md,fd]t∈r6，χ∈rm，γ∈rn分别表示柔性附件振动模态和液体燃料晃动模态，分别表示刚柔耦合矩阵以及刚液耦合矩阵，m和n分别表示两种模态的近似阶数，取m＝3，n＝4；表示刚度矩阵，cf＝diag{2ξiωi,i＝1,2,...,m}∈r3×3表示柔性附件振动的阻尼矩阵，其中ξi和ωi分别表示第i阶柔性附件振动模态的振动阻尼与振动频率，ml＝diag([m1 m1 m2 m2])∈r4×4表示液体晃动燃料的质量矩阵，其中mi表示第i阶晃动模态的晃动燃料的质量。
16、优选的，明亮物体和障碍物施加给航天器的附加作用力
17、
18、其中，k3＞0与k4＞0为正常数；
19、姿态与避障约束得如下控制器：
20、
21、其中，滑模面s＝[s1 s2 s3]＝ξe+ν1η，ν1＝diag(ν11,...,ν16)∈r6×6为正定对角矩阵，
22、为正定矩阵，k1∈r6×6为正定对角矩阵，k2＝diag{k21,k22...k26}为正定矩阵，λmin(k2)＞||ξγd||，λ＞0。
23、优选的，刚柔液耦合航天器的姿态约束为：
24、<a,rtbn>＞θ (8)；
25、其中，a表示光敏星载设备在航天器本体坐标系中的单位方向向量，θ表示光敏星载设备的半视场角，为明亮物体与航天器相对位置矢量的单位方向向量，pn表示明亮物体在地球惯性系中的位置矢量；
26、设置一个安全角度σn＞θ，当<a,rtbn>≥σn时，不考虑航天器姿态约束问题；
27、综上所述，姿态约束的势函数为：
28、
29、计算在势函数un的作用下第n个明亮物体施加给航天器的力矩t，力矩t等于势函数un相对于光敏星载设备单位方向向量的负梯度，记为具体表达式为：
30、
31、其中，ra为在地球惯性坐标系中光敏星载设备的单位方向向量；
32、航天器期望位姿gd在任意时刻都满足σn＜<a,rtbn>，不受姿态约束影响；
33、刚柔液耦合航天器的避障约束为：
34、
35、其中，dn表示航天器与第n个障碍物发生碰撞的极限距离，pn表示明亮物体在地球惯性系中的位置矢量，pn-p表示明亮物体与航天器的相对位置矢量；<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在于，基于动量守恒理论及拉格朗日原理，建立刚柔耦合航天器轨迹姿态一体化动力学模型为：
3.根据权利要求1所述的一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在于，刚液耦合航天器轨迹姿态一体化动力学模型为
4.根据权利要求1所述的一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在于，基于Lie群SE(3)理论，建立刚柔液耦合航天器轨迹姿态一体化动力学跟踪误差模型为
5.根据权利要求1所述的一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在于，明亮物体和障碍物施加给航天器的附加作用力
6.根据权利要求5所述的一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在于，刚柔液耦合航天器的姿态约束为：
7.根据权利要求5所述的一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在于，刚柔液耦合航天器的控制输入约束为：
【技术特征摘要】
1.一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在于，基于动量守恒理论及拉格朗日原理，建立刚柔耦合航天器轨迹姿态一体化动力学模型为：
3.根据权利要求1所述的一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在于，刚液耦合航天器轨迹姿态一体化动力学模型为
4.根据权利要求1所述的一种刚柔液耦合航天器姿轨一体化建模与控制方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱婉婉，杨玉凯，张誉，段程彬，周淑燕，林常见，宗群，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：
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