基于势函数法的航天器自主姿态机动控制

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar．252011V01．32No．3457．464ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．GRhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000-6893(201t)03-0457-08基于势函数法的航天器自主姿态机动控制郭延宁，李传江，马广富*哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001摘要：主要研究存在禁止姿态的航天器自主姿态机动控制问题。首先，给H{航天器的动力学和运动学模型，利用四元数描述航天器与机动姿态和

2、禁止姿态的姿态偏差，用相应的欧拉转角描述不同姿态间的距离。为利用势函数完成禁止姿态回避，结合航天器的运动情况设计排斥势函数(RPF)存在条件后，根据禁止姿态最小允许夹角构造一种新的排斥势函数。接着，利用排斥及吸引势函数(APF)的共同作用得到虚拟指令角速度，利用反步法得到自主姿态机动控制器。此外，针对控制受限问题给出控制参数自适应规则，并设计回避势函数局部极小值情况的切换控制器。最后，通过对不同禁止姿态区域的数学仿真，验证了设计方法的有效性和通用性。关键词：势函数；自主姿态机动；禁止姿态回避；反步法；控制受限中图分类号：V488．22文献标识码：A

3、随着航天事业的发展，航天器快速姿态机动问题成为航天控制领域主要的研究内容，而实际空间任务完成时需考虑热敏元件或光学载荷的避光、防止碎片碰撞及与地面通讯等多种指向约束。地面规划虽能通过大量计算获得机动过程的最优解，但需时刻保持航天器与地面站的通讯，实时性较差。因此考虑禁止姿态回避的航天器自主姿态机动规划吸引了众多学者的目光。自主姿态机动规划即给定航天器期望姿态和禁止姿态区域，根据当前姿态实时规划控制输入，使得航天器顺利到达目标姿态，且与禁止姿态范围保持一定距离。目前学者们已经对该问题进行了深入的研究，如Hablani[11提出的几何规划法即可在当前姿

4、态和机动姿态间寻找沿禁止姿态范围切线的路径，不过该方法未考虑航天器动力学特性。类似地，Singh等[2]为Cassini航天器设计了约束监测法(ConstraintMonitorAlgorithm)，并成功应用于DeepSpace1任务，但其只能解决某些特例的自主姿态规划，不具普遍性。此外，Frazzoli[31和Kim[4{]等也分别将随机姿态规划法(RandomizedAttitudePlanningAlgorithm)和半定规划(SemidefiniteProgramming)用于航天器的自主姿态规划，并取得了一定的成效，但计算量较大，实际应

5、用受到一定限制。考虑动态环境的几何约束和动力学约束，崔平远等[6-7]对航天器复杂约束姿态机动规划问题进行了研究，杨思亮等[8]也将粒子算法应用于机动路径规划中，但均对控制实现考虑较少。势函数法(PotentialFunctionMethod)最初用来解决机器人在操作空间的路径规划问题[9。10。。其基本思想是通过障碍物对机器人产生斥力，目标对机器人产生引力，使机器人在合力的作用下向目收稿日期：2010．05．31：退修日期：2010-06．24；录用日期：2010．07．23；网络出版时问：2010-11-1109：15网络出版地址：WWWcnk

6、inet／kcms／detail／11．1929．V．20101111．0915033．htmI∞I：CNKI：11-1929／V．20101111．0915．033基金项目：围家自然科学基金(60774062)；哈尔滨工业大学优秀青年教师培养计划(HITQNJS2008．006)；哈尔滨市科技创新人才研究专项资舍(2010RFQXG029)*通讯作者．Tel．：0451．86402108E-mail：magf@hit．edu．∞引用格式I郭延宁。李传江，马广寓．基于势面敏法的航天器自主姿态机动控钢￡JI÷航空学摄。2011．32(3)：45746

7、4，GuoYanning．LiChuanjiang·MaGuangfu．SpacecraftautonomousattitudefTlaneuvercontrolbypotentialfunctionmethod￡刀．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．20¨．32(3)：457-464．航空学报标前进，并与障碍物保持一定距离。该方法结构简单，便于实时控制，因此得到了广泛应用。虽然存在局部极小值问题，但对于不太复杂的障碍情况，可以通过适当调整控制策略避免u11。鉴于势函数在路径规划中的成功应用，人们开始尝试将其应

8、用于航天器的姿态自主规划中。考虑光学载荷安装于惯性主轴情况，Mclnnes[12]研究了欧拉角描述的航天器大角度姿态机动过