一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108536161A(43)申请公布日2018.09.14(21)申请号201810208207.6(22)申请日2018.03.14(71)申请人南京航空航天大学地址210016江苏省南京市秦淮区御道街29号(72)发明人齐瑞云苏伟伟张嘉芮陈弈澄(74)专利代理机构南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)32249代理人杨晓玲(51)Int.Cl.G05D1/08(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图6页(54)发明名称一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法(57)摘要本发明公开了一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，包括如下步骤：1)建立反作用飞轮故障以及安装偏差的数学模型；2)以姿态误差四元数理论为基础，建立深空探测器姿态控制系统模型；3)分析反作用飞轮的不确定性；4)设计快速终端滑模面；5)分析系统的总不确定性；6)设计自适应快速终端滑模控制器。本发明所达到的有益效果：本方法重新分析定义了姿控系统的干扰与执行器的效率矩阵、安装偏差矩阵以及偏差力矩，有效解决了执行器存在多种不确定性下的耦合问题；不需要地面控制台进行指令传输，能够自主实现姿态的容错控制；具有较强的鲁棒性，较快的收敛速率，而且在故障下依然能够具有较高的姿态控制精度。CN108536161ACN108536161A权利要求书1/2页1.一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1)建立反作用飞轮故障以及安装偏差的数学模型；步骤2)以姿态误差四元数理论为基础，建立深空探测器姿态控制系统模型；步骤3)分析反作用飞轮的不确定性；步骤4)设计快速终端滑模面；步骤5)分析系统的总不确定性；步骤6)设计自适应快速终端滑模控制器。2.根据权利要求1所述的一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，所述步骤1)的具体内容为：所述模型为：τ＝M(Eu+Δu)，其中，u∈R3×1为姿态控制系统需要的指令控制力矩，τ∈R3×1为反作用飞轮实际作用于姿态控制系统的控制力矩，M∈R3×3为安装偏差矩阵，E∈R3×3为失效故障下的效率矩阵，Δu∈R3×1为偏差故障下的偏差力矩。3.根据权利要求2所述的一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，所述步骤2)的具体内容为：所建立的模型如下所示：姿态运动学模型为：姿态动力学模型为：TTT其中，姿态误差四元数qe＝[qevqe4]＝[qe1qe2qe3qe4]，表示姿态机动需要转过的角××3×3度；矩阵Qe＝qev+qe4I，qev为qev的反对称矩阵，I∈R为单位矩阵；角速度差ωeω-ωd，表×示深空探测器在当前姿态ω与期望姿态ωd时的角速度之差；ω为ω的反对称矩阵；转动惯量矩阵J包含标称部分J0与不确定部分ΔJ，即J＝J0+ΔJ，D为未知外界干扰力矩。4.根据权利要求3所述的一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，所述步骤3)的具体内容为：对反作用飞轮的部分失效故障、偏差故障以及安装偏差进行重新分析与定义，将深空探测器的姿态动力学模型重新定义为如下所示：其中，M′为新安装偏差矩阵，E′为新效率矩阵，D′为新干扰矩阵。5.根据权利要求4所述的一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，所述步骤4)的具体内容为：r所设计的快速终端滑模面为：S＝ωe+k1qev+k2sig(qev)，其中，滑模面参数k1,k2＞0，0＜r＜1；rrrrr函数sig(qev)的定义为sig(qev)＝[|qe1|sgn(qe1),|qe2|sgn(qe2),|qe3|sgn(qe3)]。6.根据权利要求5所述的一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，所述步骤5)的具体内容为：2CN108536161A权利要求书2/2页在深空探测器姿态控制系统中，存在反作用飞轮不确定性、来自太空环境以及探测器内部的不良干扰，通过分析，得出系统的总不确定性如下：r-1r-1r-1其中，Ge＝diag(|qe1|,|qe2|,|qe3|)，dall为系统的总扰动，包含了转动惯量不确定性以及外部不良干扰。7.根据权利要求6所述的一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，其特征是，所述步骤6)的具体内容为：当反作用飞轮单轴的最大安装偏差角度不超过16.535度时，姿态容错控制器如下：其中，σ,τ∈R3×3为正定对角矩阵，各估计参数的更新方式如下所示：式中，c0,c1,c2＞0为常数；参数δ1与δ2的定义分别由下式给出：3CN108536161A说明书1/6页一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法技术领域[0001]本发明涉及一种深空探测器的高精度姿态容错控制方法，属于自动控制技术领域。背景技术[0002]随着深空探测的快速发展，对深空探测