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带未知干扰的模块化航天器系统相对轨道的队形控制

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控制与决策 2014年第6期29卷 985-990页

作者：刘付成梅杰马广富哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055

基于多智能体系统一致性理论,在有向拓扑结构中对模块化航天器相对轨道的队形控制问题进行研究.考虑与状态相关的未知外部干扰,在存在模块质量不确定性的情形下,基于自适应增益技术,设计仅依赖模块自身及其邻近模块信息的分布式控制算法... 详细信息

基于多智能体系统一致性理论,在有向拓扑结构中对模块化航天器相对轨道的队形控制问题进行研究.考虑与状态相关的未知外部干扰,在存在模块质量不确定性的情形下,基于自适应增益技术,设计仅依赖模块自身及其邻近模块信息的分布式控制算法,并通过Lyapunov稳定性方法证明闭环系统是渐近稳定的.最后在Matlab/Simulink中对6个模块组成的模块化航天器系统的队形进行仿真分析,仿真结果表明所设计的控制律是有效且可行的.

关键词：模块化航天器相对轨道队形控制自适应增益未知干扰

有向图中模块化航天器系统相对轨道的自适应分布式一致性

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控制理论与应用 2014年第2期31卷 223-229页

作者：刘付成梅杰马广富哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001 上海航天技术研究院上海200235 哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055

基于多智能体系统一致性理论,对模块化航天器相对轨道的分布式一致性问题进行了研究.各模块之间的信息交互拓扑结构为更具一般性的有向图.当存在模块质量不确定性的情形下,设计了仅依赖模块自身及其邻近模块信息且无需模块间相对速度信... 详细信息

基于多智能体系统一致性理论,对模块化航天器相对轨道的分布式一致性问题进行了研究.各模块之间的信息交互拓扑结构为更具一般性的有向图.当存在模块质量不确定性的情形下,设计了仅依赖模块自身及其邻近模块信息且无需模块间相对速度信息的自适应控制算法.针对模型中存在外部干扰的情形,通过引入带有时变自适应参数的变结构控制项,实现了对未知上界干扰的补偿,并且证明了闭环系统是渐近稳定的.此外,本文所设计的算法具有分布式的特点,不会因为模块数量的增多而增加所提算法的复杂度.最后对6个模块组成的模块化航天器的编队飞行进行了仿真分析,仿真结果表明本文设计的控制律是有效可行的.

关键词：模块化航天器相对轨道一致性自适应控制

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应用旋转矩阵的卫星姿态输出反馈机动控制

航空学报 2016年第12期37卷 3774-3782页

作者：黄静刘刚刘付成李传江上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109 哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对卫星姿态机动控制问题,提出一种只利用向量测量信息的无角速度反馈的输出反馈控制方法。卫星姿态的指向直接通过旋转矩阵进行描述,而不是先进行参数化过程,避免了由欧拉角、修正的罗德里格参数(MRPs)与四元数等姿态描述方式产生的... 详细信息

针对卫星姿态机动控制问题,提出一种只利用向量测量信息的无角速度反馈的输出反馈控制方法。卫星姿态的指向直接通过旋转矩阵进行描述,而不是先进行参数化过程,避免了由欧拉角、修正的罗德里格参数(MRPs)与四元数等姿态描述方式产生的奇异问题与退绕问题。首先,通过向量测量信息与一组期望姿态向量,引入一个新的姿态指向误差向量,并对其性质进行分析。其次,进一步结合主导滤波器的思想,设计了无需角速度信息的卫星姿态机动控制器,并应用Lyapunov理论,对闭环系统的全局稳定性进行了严格的证明。最后,对所提出的控制算法进行了数值仿真,其结果验证了所设计的输出反馈控制算法的可行性和有效性。

关键词：刚体卫星姿态机动旋转矩阵输出反馈向量测量

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控制力矩陀螺在卫星控制系统中的应用

控制力矩陀螺在卫星控制系统中的应用

作者：刘付成国防科学技术大学

学位级别：硕士

随着我国空间技术的发展,要求卫星具备的功能越来越多,同时对卫星指向精度和姿态稳定度也提出了越来越高的要求。因此研制高精度、高稳定度的大型卫星是当前一个重要的方向之一。控制系统是卫星关键分系统。纵观国外卫星的发展,大型卫... 详细信息

随着我国空间技术的发展,要求卫星具备的功能越来越多,同时对卫星指向精度和姿态稳定度也提出了越来越高的要求。因此研制高精度、高稳定度的大型卫星是当前一个重要的方向之一。控制系统是卫星关键分系统。纵观国外卫星的发展,大型卫星控制系统通常采用的执行机构是控制力矩陀螺(CMG)。控制力矩陀螺系统不同于传统的飞轮系统,存在奇异问题。因此控制力矩陀螺系统理论研究工作主要集中在控制力矩陀螺如何避免奇异的控制律问题的研究上。本文正是针对控制力矩陀螺在大型卫星应用的几个关键问题而开展研究,为控制力矩陀螺工程应用提供依据。 1) 论文针对一类刚体卫星利用欧拉角法和四元数法进行了建模,给出了这类卫星的控制模型,并针对控制模型进行了零动量卫星姿态控制律的研究,给出了基于工程上成功应用的PID控制律。详细推导了空间干扰力矩-气动力矩的计算模型。 2) 对单框架控制力矩陀螺的构形进行了研究,通过仿真计算给出了各种常见构形的性能比较,认为五棱锥构形的控制力矩陀螺群从构形效益、失效效益、可控效益和奇点损失率等指标综合考虑,是卫星控制系统工程应用最优的方案。 3) 重点对基于零运动添加的控制律进行了研究,详细推导了基于零运动添加控制律的模型,考虑到框架伺服系统的动态特性,推导了框架驱动系统动力学模型和控制律。 4) 基于以上的工作基础,对大型卫星沿滚动轴侧摆机动进行了仿真研究。基于五棱锥构形和金字塔构形两种构形采用零运动添加的方法研究了两种不同质量的卫星(6吨、9吨)的控制情况,表明五棱锥构形的控制力矩陀螺系统能够满足任务要求,姿态稳定度1×10°/s,指向精度0.1°。而金字塔构形可以满足6吨卫星侧摆,但不能满足9吨卫星的侧摆要求,在第二次侧摆时出现了奇异。 5) 论文还对控制力矩陀螺系统仿真技术进行了研究,给出了物理仿真的方案,这对验证理论工作的正确性和工程应用都是有着非常重要的作用。

关键词：姿态控制控制力矩陀螺力矩陀螺构形力矩陀螺控制律

低照度小样本限制下的失效卫星相对位姿估计与优化

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航空学报 2021年第4期42卷 540-551页

作者：刘付成牟金震刘宗明韩飞李爽上海航天技术研究院上海201109 上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109 南京航空航天大学航天学院南京210016

低照度图像信息受损严重,会导致失效卫星的位姿估计精度和鲁棒性降低。基于此,提出了无监督生成式对抗网络低照度图像增强模型。生成器以U-Net网络为基础,并设计密集残差连接结构。判别器设计为全局-局部的双辨别器结构,由传统的单一标... 详细信息

低照度图像信息受损严重,会导致失效卫星的位姿估计精度和鲁棒性降低。基于此,提出了无监督生成式对抗网络低照度图像增强模型。生成器以U-Net网络为基础,并设计密集残差连接结构。判别器设计为全局-局部的双辨别器结构,由传统的单一标量扩展为多标量判别。在小样本的条件下,基于进化训练与并行训练方式改进基于SinGAN的数据增广方法。最后,在基于ORB-SLAM位姿初始化的基础上,建立特征信息的局部地图,克服位姿估计对参考帧的依赖;通过关键帧ROI的稠密匹配,建立关于平面法向量和单目相机安装高度的非线性优化模型求解尺度因子;通过闭环检测后的相似性变换,构建关键帧集合的联合位姿图优化方程,实现对位姿矩阵的全局校正。实验结果表明:测量稳定后,低照度图像的姿态角误差最大值为4°,而图像增强后的姿态角误差最大为0.5°;对于以角速度20°/s运动的失效卫星旋转5周,相对静止下的跟踪测量为5周,1m水平方向机动下的跟踪测量为4.5周。可以满足失效卫星相对姿态测量的任务需求。

关键词：失效卫星旋转目标生成式对抗网络低照度图像增强小样本相对位姿估计

含间隙铰接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究

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力学学报 2020年第6期52卷 1569-1580页

作者：孙杰孙俊刘付成朱东方黄静上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙.铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响.针对这一问题,提出一种含间隙铰接的航天器刚柔耦合动力学建... 详细信息

大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙.铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响.针对这一问题,提出一种含间隙铰接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法.首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构动力学模型.然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学模型,采用Newmark算法对非线性动力学方程进行求解.基于压电纤维复合材料(macro fiber composite,MFC)驱动器构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律.分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用.最后采用MFC驱动器对航天器施加主动控制.结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于MFC的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.

关键词：柔性航天器铰链间隙刚柔耦合压电纤维复合材料振动控制

基于LPV的主动隔振平台单支腿鲁棒控制器设计

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北京航空航天大学学报 2023年第7期49卷 1796-1801页

作者：唐育聪朱庆华刘付成曹赫扬上海航天控制技术研究所上海201109

利用控制力矩陀螺(CMG)实现敏捷姿态机动控制时,保证机动过程控制输出力矩快速响应的同时,还需要保证机动到位后有效隔离CMG的机械振动以实现高稳定度姿态控制。针对控制CMG主动隔振平台,将控制CMG外框角速度作为变参数,提出单支腿主动... 详细信息

利用控制力矩陀螺(CMG)实现敏捷姿态机动控制时,保证机动过程控制输出力矩快速响应的同时,还需要保证机动到位后有效隔离CMG的机械振动以实现高稳定度姿态控制。针对控制CMG主动隔振平台,将控制CMG外框角速度作为变参数,提出单支腿主动隔振平台控制器的一种基于线性变参数(LPV)控制设计实现方法,通过与其他主动隔振控制方法性能比较分析,所提方法在兼顾敏捷姿态机动期间和机动到位后对主动隔振平台不同的力学传递要求方面有更好的性能。

关键词：控制力矩陀螺主动隔振姿态机动线性变参数鲁棒控制

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在轨服务航天器的制导、导航与控制关键技术

中国惯性技术学报 2023年第9期31卷 849-860,869页

作者：刘付成韩飞孙玥武海雷曹姝清上海航天技术研究院上海201109 上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

在轨服务航天器的制导、导航与控制是保障任务完成的核心关键,根据其典型核心任务流程,梳理出了翻滚目标超近立体视觉测量、翻滚目标姿轨耦合逼近路径规划与控制、非合作目标柔顺捕获控制、组合体稳定控制四项关键技术。提出了基于深度... 详细信息

在轨服务航天器的制导、导航与控制是保障任务完成的核心关键,根据其典型核心任务流程,梳理出了翻滚目标超近立体视觉测量、翻滚目标姿轨耦合逼近路径规划与控制、非合作目标柔顺捕获控制、组合体稳定控制四项关键技术。提出了基于深度学习的目标典型部位精细感知、基于虚拟域逆动力学的优化轨迹、间接估计辅助的图像视觉伺服控制、基于位置控制内环的阻抗控制等方法,实现了组合体航天器精确导航、制导与控制,利用气浮平台、六自由度运动模拟器进行了地面试验验证,组合体三轴控制精度为0.2°。最后对在轨服务航天器未来发展进行了展望,以期为该方向的后续研究提供参考。

关键词：在轨服务立体视觉测量姿轨耦合非合作目标柔顺捕获组合体控制

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基于多星编队的GEO目标巡视策略

空间控制技术与应用 2022年第3期48卷 29-38页

作者：刘付成叶立军上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109 上海航天技术研究院上海201109 上海航天控制技术研究所上海201109 清华大学航天航空学院北京100084

地球同步轨道(简称GEO)目标巡视卫星(简称巡视星)轨道半长轴与GEO稍有不同,巡视星相对GEO目标会存在东西向相对漂移,因此巡视星可用于对全球GEO目标的观测.本文以低于GEO目标的巡视星为例,对GEO目标的单星巡视效能进行了分析,指出了单... 详细信息

地球同步轨道(简称GEO)目标巡视卫星(简称巡视星)轨道半长轴与GEO稍有不同,巡视星相对GEO目标会存在东西向相对漂移,因此巡视星可用于对全球GEO目标的观测.本文以低于GEO目标的巡视星为例,对GEO目标的单星巡视效能进行了分析,指出了单星巡视存在成像盲区和成像概率低的问题.提出了多星串行编队的GEO目标巡视策略,该策略在解决上述问题的同时,还有助实现对GEO目标的多方位多角度成像,优化了成像效果.最后,针对几种在轨典型巡视需求,介绍串行编队参数设计方法并给出设计结果.

关键词：态势感知高轨巡视多星串行编队成像效能