基于Vicsek分形结构的智能航天器集群在轨组装动力学与控制

作     者：潘星熠 陈提 Pan Xingyi;Chen Ti

作者机构：南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室南京210016 

出 版 物：《动力学与控制学报》 (Journal of Dynamics and Control)

年 卷 期：2024年第22卷第3期

页      面：34-42页

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：国家自然科学基金青年项目(12102174) 国家自然科学基金重点项目(11832005) 空间智能控制技术国防科技重点实验室2021年度国防科技重点实验室基金项目(2021-JCJQ-LB-010-17) 航空航天结构力学及控制全国重点实验室(南京航空航天大学)自主研究课题(MCMS-I-0122K01)。 

主　　题：在轨组装 PD控制 位姿控制 Vicsek分形结构 

摘      要：由于目前运载火箭运输能力的局限性,超大型空间结构往往无法采用折叠收拢发射入轨、在轨展开的方式完成搭建,而在轨组装是实现超大型空间结构的有效途径.本文受Vicsek分形结构启发设计了一种空间超大型结构,并基于智能航天器集群提出了相应的在轨组装控制策略.首先,针对在轨组装过程中航天器的位置和姿态运动描述问题,建立了刚性航天器的位置和姿态动力学方程并导出追踪航天器与目标航天器的相对运动参数.其次,以Vicsek分形结构为基础设计了125个航天器分阶段组装规划,将每个阶段分为预组装和完全组装两个过程.在预组装环节,控制追踪航天器使其和目标航天器达到较为接近的相对距离并且保持相对静止;在完成预组装后,控制器驱动追踪航天器缓慢逼近目标航天器,使得两航天器完全对接.针对预组装环节复合了一个避撞控制器与PD控制器,在缓慢对接环节仅采用了PD控制策略.最后通过数值仿真验证了所提出的控制策略的有效性.