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航天器多约束姿态规划与控制:进展与展望

航空学报 2022年第10期43卷 395-423页

作者：胡庆雷邵小东杨昊旸段超北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学杭州创新研究院(余杭) 杭州311100 北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

随着人类航天活动日趋频繁,空间任务已经向多样化、无人自主化等方向发展,以在轨服务与维护、编队飞行以及深空探测等为代表的新兴空间任务,近年来受到了各航天大国的持续关注与投入。高可靠、高精度、强自主的姿态规划与控制技术是保... 详细信息

随着人类航天活动日趋频繁,空间任务已经向多样化、无人自主化等方向发展,以在轨服务与维护、编队飞行以及深空探测等为代表的新兴空间任务,近年来受到了各航天大国的持续关注与投入。高可靠、高精度、强自主的姿态规划与控制技术是保障航天器安全顺利实施这些空间任务的关键核心。然而,航天器在轨运行过程中面临的各类约束为姿态规划与控制算法设计带来了巨大挑战。本文首先对复杂约束进行分析与表征,而后从约束处理机制角度对现有的多约束姿态规划与控制方法进行分类,梳理各个方案的研究脉络、优缺点及部分代表性成果,并总结关键技术领域的研究现状和亟需解决的难题。最后,针对中国航天未来发展需求,展望了航天器多约束姿态规划与控制的发展方向。

关键词：航天器姿态规划姿态控制容错控制人工智能

光学卫星等比降地速的地影区主动推扫姿态规划

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宇航学报 2023年第11期44卷 1746-1756页

作者：童鑫钟兴曲友阳李文涛李冬瑞长光卫星技术股份有限公司长春130102

针对光学推扫卫星在地影区进行夜间推扫成像时,卫星相机成像区域地速过快导致传感器积分时间不足而难以获取高质量夜间影像的情况,设计了一种卫星等比降地速主动推扫的姿态规划方法。首先,根据卫星推扫成像任务的机动时间、成像起始时... 详细信息

针对光学推扫卫星在地影区进行夜间推扫成像时,卫星相机成像区域地速过快导致传感器积分时间不足而难以获取高质量夜间影像的情况,设计了一种卫星等比降地速主动推扫的姿态规划方法。首先,根据卫星推扫成像任务的机动时间、成像起始时刻与降速比例等参数计算出卫星等比降地速成像时的等效轨道初始位置;其次,根据卫星等效轨道初始位置与卫星侧摆角,通过轨道递推计算出卫星光轴实时指向的地面目标点坐标;然后,根据卫星实际的轨道位置与姿态解算出卫星指向地面目标点的实时期望姿态;最后,基于吉林一号高分04A卫星的参数对所设计方法进行数值仿真与在轨试验,结果表明了所提出的方法具有可行性与有效性。

关键词：光学卫星等比降地速主动推扫轨道递推地面目标点姿态规划

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微小卫星低可观测外形飞行姿态规划

航空学报 2011年第4期32卷 720-728页

作者：苏抗周建江南京航空航天大学电子信息工程学院江苏南京210016

为提高在轨微小卫星的使用效能及生存能力,提出一种微小卫星低可观测外形飞行姿态规划算法。根据微小卫星雷达散射截面(RCS)、轨道及雷达威胁特性,建立了可进行长时间内最佳飞行姿态规划的数学模型,设计了低计算复杂度的链表式个体结构... 详细信息

为提高在轨微小卫星的使用效能及生存能力,提出一种微小卫星低可观测外形飞行姿态规划算法。根据微小卫星雷达散射截面(RCS)、轨道及雷达威胁特性,建立了可进行长时间内最佳飞行姿态规划的数学模型,设计了低计算复杂度的链表式个体结构及进化规划策略,并实现了算法对高威胁区优化规划的能力。同时,算法低迭代步长下的快速收敛特性以及进化中规划精度及计算量可变的设计,也使其可灵活应用于不同的规划任务。仿真结果表明,算法可有效降低S波段及甚高频(VHF)波段雷达对微小卫星的威胁性,满足微小卫星低可观测外形飞行姿态规划的需求。

关键词：姿态规划微小卫星低可观测性进化策略雷达散射截面探测概率

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卫星对空中动态目标凝视成像姿态规划方法

上海交通大学学报 2024年第4期58卷 411-418页

作者：杜宁吴树范陈占胜陈文晖王世耀徐家国秦栋栋上海交通大学航空航天学院上海200240 上海航天技术研究院卫星工程研究所上海201109 上海航天技术研究院航天控制技术研究所上海201109

针对低轨卫星面阵相机对空中动态目标凝视成像需求,提出卫星平台根据像面脱靶量进行目标位置估计和凝视姿态规划方法.基于空中动态目标飞行高度的先验知识,以目标地理经纬度和经纬度变化率为状态量,以目标中心像素值为观测量,设计扩展... 详细信息

针对低轨卫星面阵相机对空中动态目标凝视成像需求,提出卫星平台根据像面脱靶量进行目标位置估计和凝视姿态规划方法.基于空中动态目标飞行高度的先验知识,以目标地理经纬度和经纬度变化率为状态量,以目标中心像素值为观测量,设计扩展卡尔曼滤波器,实现目标地理经纬度的精确估计和预报.在此基础上,规划卫星姿态和角速度,避免了目标像素噪声和延时对姿态稳定度的影响,并实现了单星对目标位置估计.通过数学仿真验证了所提方法的有效性.

关键词：空中动态目标凝视成像姿态规划单星定位扩展卡尔曼滤波

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基于模糊控制的焊接机器人焊枪姿态规划

北京航空航天大学学报 2010年第7期36卷 771-775页

作者：汪苏苗新刚李晓辉北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

针对骑座式相贯线焊接机器人焊枪姿态的规划问题,提出了一种基于模糊控制的算法.以焊缝倾角、焊缝转角、坡口大小、被贯筒体厚度和相贯筒体厚度为输入变量,以焊接行走角和工作角为输出变量,建立多输入多输出系统模糊控制器;推导出各输... 详细信息

针对骑座式相贯线焊接机器人焊枪姿态的规划问题,提出了一种基于模糊控制的算法.以焊缝倾角、焊缝转角、坡口大小、被贯筒体厚度和相贯筒体厚度为输入变量,以焊接行走角和工作角为输出变量,建立多输入多输出系统模糊控制器;推导出各输入变量的隶属度函数;采用经验归纳法设计模糊控制规则,建立了相应的控制规则表;最后规划出焊枪的工作角和行走角.对不同的相贯筒体直径进行了仿真,结果表明,采用加权模糊专家系统对骑座式相贯线焊接机器人焊枪的工作角和行走角进行规划,可以有效的完成焊接过程焊枪的姿态控制.

关键词：相贯线模糊控制焊接机器人姿态规划

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面向小行星柔性附着的目标导向姿态规划

深空探测学报（中英文） 2024年第3期11卷 256-264页

作者：朱哲徐瑞王晓燕李朝玉朱圣英龙嘉腾高越北京理工大学深空探测技术研究所北京100081 深空自主导航与控制工信部重点实验室北京100081 北京航天飞腾装备技术有限公司北京100094 航天恒星科技有限公司北京100086

为解决小行星柔性附着约束复杂、姿态机动控制难度大、机动路径规划求解困难的问题,提出一种目标导向小行星柔性附着姿态机动规划方法,通过构建节点平面耦合动力学模型,实现对柔性3节点探测器姿态描述和动力学约束的表征。设计局部优化... 详细信息

为解决小行星柔性附着约束复杂、姿态机动控制难度大、机动路径规划求解困难的问题,提出一种目标导向小行星柔性附着姿态机动规划方法,通过构建节点平面耦合动力学模型,实现对柔性3节点探测器姿态描述和动力学约束的表征。设计局部优化扩展策略对快速扩展随机树(Rapidly-exploring Random Trees,RRT)算法进行改进,以目标姿态的空间距离为优化函数,结合柔性体姿态动力学模型构建二次规划问题,增强沿姿态路径机动的目的性。并通过数字仿真进行验证,结果表明提出的方法与传统启发式规划方法相比计算消耗时间少,且对姿态机动路径长度进行了优化,可实现小行星探测器柔性附着过程中姿态机动的需求。

关键词：小行星柔性附着姿态规划 RRT算法目标导向方法

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一种引力波探测卫星动态姿态规划方法

航天控制 2022年第4期40卷 18-25页

作者：范宇麒徐瑞李朝玉朱圣英高艾尚海滨高越北京理工大学深空探测技术研究所北京100081 深空自主导航与控制工业与信息化部重点实验室北京100081 航天恒星科技有限公司北京100086

在引力波探测任务中,针对大尺度激光建链时目标姿态动态变化以及姿态机动约束复杂的问题,提出了引力波探测卫星动态姿态规划方法。首先给出引力波探测卫星的最优目标姿态求解方法。然后,设计了随机节点启发式扩展方法和目标姿态实时更... 详细信息

在引力波探测任务中,针对大尺度激光建链时目标姿态动态变化以及姿态机动约束复杂的问题,提出了引力波探测卫星动态姿态规划方法。首先给出引力波探测卫星的最优目标姿态求解方法。然后,设计了随机节点启发式扩展方法和目标姿态实时更新方法,对力矩轨迹进行平滑处理,实现了动态目标姿态规划。仿真结果表明,与经典RRT姿态规划方法相比,本文提出的方法具有更高的指向精度,并且消耗能量少,可满足引力波探测卫星大尺度建链保持的任务需求。

关键词：引力波探测卫星姿态规划随机搜索树动态规划

针对GEO目标带的天基光学观测姿态规划研究

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计算机仿真 2015年第5期32卷 37-41,50页

作者：李磊周军黄河付红瑞西北工业大学精确制导与控制研究所陕西西安710072

为了提高太阳同步轨道卫星对GEO轨道带目标的观测效率,在分析观测位置和传感器视轴指向与太阳同步轨道卫星对静止轨道带扫描速度基础上得到传感器视轴的最佳指向以及对应的GEO带上的最佳观测点,并提出了关于最佳观测点的姿态规划策略,... 详细信息

为了提高太阳同步轨道卫星对GEO轨道带目标的观测效率,在分析观测位置和传感器视轴指向与太阳同步轨道卫星对静止轨道带扫描速度基础上得到传感器视轴的最佳指向以及对应的GEO带上的最佳观测点,并提出了关于最佳观测点的姿态规划策略,并对在地影影响下有/无姿态机动时的观测效率进行了对比仿真分析。仿真结果表明:对于SBV传感器视场在1.5°×1.5°时,最佳观测点的控制策略就能够完成对GEO轨道带的完全覆盖,相较于无姿态机动时,对静止轨道带的观测时间可提高一倍。

关键词：卫星太阳同步轨道静止轨道光学观测姿态规划

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基于遗传算法的双臂FFSR姿态规划

大庆石油学院学报 2008年第3期32卷 77-80页

作者：高胜李艳秋常玉连许晓峥赵明泉大庆石油学院机械科学与工程学院黑龙江大庆163318 大庆油田有限责任公司井下作业分公司黑龙江大庆163458 大庆油田物业集团安全质量环保部黑龙江大庆163453 大庆油田有限责任公司第六采油厂黑龙江大庆163114

为研究双臂自由漂浮空间机器人(FFSR)的姿态规划,建立双臂FFSR的运动学几何模型,引入描述机械臂与本体之间耦合关系的广义雅可比矩阵,提出以对FFSR本体姿态影响最小为优化目标,利用遗传算法求解双臂FFSR协调的姿态规划方法.仿真结果表明... 详细信息

为研究双臂自由漂浮空间机器人(FFSR)的姿态规划,建立双臂FFSR的运动学几何模型,引入描述机械臂与本体之间耦合关系的广义雅可比矩阵,提出以对FFSR本体姿态影响最小为优化目标,利用遗传算法求解双臂FFSR协调的姿态规划方法.仿真结果表明,该方法具有精度高、通用性强等优点.

关键词： FFSR 遗传算法协调姿态规划