输入饱和下多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27465

电子电气工程与控制

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输入饱和下多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制

许闯, 吴宝林()

哈尔滨工业大学卫星技术研究所，哈尔滨 150001

收稿日期:2022-05-18 修回日期:2022-06-09 接受日期:2022-07-04 出版日期:2022-07-15 发布日期:2022-07-08
通讯作者: 吴宝林 E-mail:wuba0001@e.ntu-edu.sg
基金资助:
国家自然科学基金(61873312)

Distributed fixed-time output-feedback attitude consensus control for multiple spacecraft with input saturation

Chuang XU, Baolin WU()

Research Center of Satellite Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China

Received:2022-05-18 Revised:2022-06-09 Accepted:2022-07-04 Online:2022-07-15 Published:2022-07-08
Contact: Baolin WU E-mail:wuba0001@e.ntu-edu.sg
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61873312)

摘要/Abstract

摘要：

研究有向通信拓扑结构下存在输入饱和时多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制问题。首先，针对只有部分航天器可以获得主航天器姿态和角速度状态信息问题，设计了一个固定时间主航天器状态观测器来观测主航天器状态信息。针对航天器无法测量自身角速度的情况，设计了一个固定时间航天器角速度观测器，实现了在固定时间内观测出航天器角速度信息。然后，基于固定时间主航天器状态观测器和固定时间航天器角速度观测器，设计一个固定时间输出反馈姿态追踪控制器，并证明了系统固定时间稳定性。此外，仿真结果也验证了所提控制策略的有效性。

关键词: 输入饱和, 输出反馈, 固定时间控制, 协同控制, 多航天器, 航天器姿态控制

Abstract:

This paper studies the distributed fixed-time output-feedback attitude consensus control problem of multiple spacecraft with input saturation under directed graph. First， only a part of the spacecrafts can obtain the attitude and angular velocity state information of the leader. A fixed-time observer of leader’s attitude is designed to estimate leader’s attitude. Then， for the issue that spacecrafts being unable to measure their own ungular velocity， this paper proposes a fixed-time state observer to estimate the angular velocity of spacecraft in a fixed time. Based on the estimated leader’s attitude and spacecraft angular velocity， a fixed-time attitude tracking controller is proposed， and the fixed-time stability of the spacecraft attitude system is proved rigorously. Finally， some simulations are conducted， and simulation results verify the effectiveness of the proposed control scheme.

Key words: input saturation, output feedback, fixed-time control, consensus control, multiple spacecraft, spacecraft attitude control

中图分类号:

V448.2

许闯, 吴宝林. 输入饱和下多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 327465-327465.

Chuang XU, Baolin WU. Distributed fixed-time output-feedback attitude consensus control for multiple spacecraft with input saturation[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(10): 327465-327465.

图/表 12

图 1

表1

航天器仿真参数

参数	数值
跟随航天器初始姿态/m	$q 1 0 = 0.15, - 0.1, - 0.1 T q 2 0 = - 0.1, 0.1, 0.1 T q 3 0 = 0, 0.1, - 0.1 T q 4 0 = - 0.1, 0, 0.15 T q 5 0 = 0, 0.2, - 0.1 T q 6 0 = - 0.1, 0, 0.15 T$
跟随航天器初始角速度/（（°）·s^-1）	$ω i 0 = 0 i = 1,2, …, 6$
主航天器初始姿态/（（°）·s^-1）	$q 0 0 = 0, 0, 0 ω 0 = 10 - c o s t 8, c o s t 9, - s i n t 10$
邻接权值矩阵	$A = 0 0.2 0 0.2 00 0 0.2 000 0.2 0.2 0 0.2 0 0.2 0 0.2 0 0.2 0 0.2 0 00000 0.2 000000 A 0 = d i a g 1, 0, 0, 0, 0, 1$
转动惯量 /（kg·m^-2）	$J 1 = 115,7, 6; 6,130,8; 6,8, 175 J 2 = 145,7, 6; 6,150,8; 6,8, 155 J 3 = 125,7, 6; 6,150,8; 6,8, 155 J 4 = 135,7, 6; 6,130,8; 6,8, 140 J 5 = 135,8, 5; 8,140,6; 5,6, 160 J 6 = 120,4, 7; 4,140,5; 7,5, 140$
外界干扰力矩 /（N·m）	$d i = 0.01 s i n i t 50, c o s i t 60, s i n i t 40 i = 1,2, …, 6$

表1

表2

主航天器状态观测器仿真参数

参数	数值
观测器初值	$p 11 0 = 0.2, - 0.1, 0.1 T p 12 0 = 0.1, 0.1, 0.15 T p 13 0 = - 0.1, 0.15, - 0.1 T p 14 0 = 0.15, - 0.2, 0.11 T p 15 0 = 0, - 0.15, - 0.15 T p 16 0 = - 0.15, 0.2, 0.2 T p 21 0 = 0.1, 0.1, 0.1 T p 22 0 = 0.09, 0.08, 0.07 T p 23 0 = - 0.09, - 0.07, 0.08 T p 24 0 = 0.07, - 0.08, - 0.09 T p 25 0 = 0.08, 0.06, 0.05 T p 26 0 = - 0.1, - 0.1, - 0.1 T$
观测器参数	$α 1 = β 1 = 1, λ 1 = 0.000 1, v 1 = 3 / 5, v 2 = 2$

表2

表 3

航天器角速度观测器仿真参数

参数	数值
观测器初值	$z 11 0 = 0.2, - 0.1, 0.1 T z 12 0 = 0.1, 0.1, 0.15 T z 13 0 = - 0.1, 0.15, - 0.1 T z 14 0 = 0.15, - 0.2, 0.11 T z 15 0 = 0, - 0.15, - 0.15 T z 16 0 = - 0.15, 0.2, 0.2 T z 21 0 = 0.05, 0.05, 0.05 T z 22 0 = 0.045, 0.04, 0.035 T z 23 0 = - 0.045, - 0.035, 0.04 T z 24 0 = 0.035, - 0.04, - 0.045 T z 25 0 = 0.04, 0.03, 0.025 T z 26 0 = - 0.05, - 0.05, - 0.05 T$
观测器参数	$μ 0 = 10, μ 1 = μ 2 = μ 3 = μ 4 = 1, δ 1 = 0.9$

表 3

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

参考文献 36

1	DIMAROGONAS D， TSIOTRAS P， KYRIAKOPOULOS K. Leader-follower cooperative attitude control of multiple rigid bodies［J］. Systems & Control Letters， 2009， 58（6）：429-435.
2	DU H B， LI S H， QIAN C J. Finite-time attitude tracking control of spacecraft with application to attitude synchronization［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2011， 56（11）： 2711-2717.
3	CAI H， HUANG J. The leader-following attitude control of multiple rigid spacecraft systems［J］. Automatica， 2014， 50（4）： 1109-1115.
4	BEARD R W， LAWTON J， HADAEGH F Y. A coordination architecture for spacecraft formation control［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2001， 9（6）： 777-790.
5	REN W， BEARD R. Virtual structure based spacecraft formation control with formation feedback： AIAA-2002-4963［R］. Reston： AIAA， 2002.
6	REN W， BEARD R W. A decentralized scheme for spacecraft formation flying via the virtual structure approach［C］∥ Proceedings of the 2003 American Control Conference. Piscataway： IEEE Press， 2003： 1746-1751.
7	MALLA R， WATKINS J， PIPER G. Study of pointing maneuvers for a spacecraft virtual structure formation［C］∥ Proceeding of the Thirty-Eighth Southeastern Symposium on System Theory. Piscataway： IEEE Press， 2006： 99-103.
8	AHN C， KIM Y. Point targeting of multisatellites via a virtual structure formation flight scheme［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2009， 32（4）： 1330-1344.
9	CHANG I， PARK S Y， CHOI K H. Decentralized coordinated attitude control for satellite formation flying via the state-dependent Riccati equation technique［J］. International Journal of Non-Linear Mechanics， 2009， 44（8）： 891-904.
10	周稼康，胡庆雷，马广富，等. 带时变通信时间延迟的卫星编队姿态协同自适应L₂增益控制［J］. 航空学报， 2011， 32（2）： 321-329.
	ZHOU J K， HU Q L， MA G F， et al. Adaptive L₂-gain cooperative attitude control of satellite formation flying with time-varying delay［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2011， 32（2）： 321-329 （in Chinese）.
11	吕跃勇，胡庆雷，马广富，等. 考虑执行机构误差的编队卫星姿态分布式时延滑模自适应协同控制［J］. 航空学报， 2011， 32（9）： 1686-1695.
	LU Y Y， HU Q L， MA G F， et al. Decentralized time-delay adaptive sliding mode control for attitude coordination of satellite formation under actuator misalignment［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2011， 32（9）： 1686-1695 （in Chinese）.
12	张保群，宋申民，陈兴林. 编队卫星分布式鲁棒饱和姿态协同控制［J］. 航空学报， 2011， 32（9）： 1644-1655.
	ZHANG B Q， SONG S M， CHEN X L. Decentralized robust saturated attitude coordination control of satellites within formation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2011， 32（9）： 1644-1655 （in Chinese）.
13	XU C， WU B， WANG D. Distributed dynamic event-triggered adaptive attitude consensus control of multiple spacecraft［J］. Acta Astronautica， 2022， 196： 220-230.
14	XIE X， SHENG T， HE L. Robust attitude consensus control for multiple spacecraft systems with unknown disturbances via variable structure control and adaptive sliding mode control［J］. Advances in Space Research， 2022， 69（3）： 1588-1601.
15	GARG K. Advances in the theory of fixed-time stability with applications in constrained control and optimization［D］. Ann Arbor： University of Michigan， 2021.
16	ANDRIEU V， PRALY L， ASTOLFI A. Homogeneous approximation， recursive observer design， and output feedback［J］. SIAM Journal on Control and Optimization， 2008， 47（4）： 1814-1850.
17	PARSEGOV S， POLYAKOV A， SHCHERBAKOV P. Nonlinear fixed-time control protocol for uniform allocation of agents on a segment［C］∥ IEEE 51st IEEE Conference on Decision and Control （CDC）. Piscataway： IEEE Press， 2013： 7732-7737.
18	SUI W S， DUAN G R， HOU M Z， et al. Distributed fixed-time attitude synchronization control for multiple rigid spacecraft［J］.International Journal of Control， Automation and Systems， 2019， 17（5）： 1117-1130.
19	XU C， WU B， WANG D， et al. Distributed fixed-time output-feedback attitude consensus control for multiple spacecraft［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2020， 56（6）： 4779-4795.
20	HU Q， CHEN W， GUO L， et al. Adaptive fixed-time attitude tracking control of spacecraft with uncertainty-rejection capability［J］. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems， 2022， 52（7）： 4634-4647.
21	HONG H， YU C， YU W. Adaptive fixed-time control for attitude consensus of disturbed multi-spacecraft systems with directed topologies［J］. IEEE Transactions on Network Science and Engineering， 2022， 9（3）： 1451-1461.
22	HUA C， LI Y， GUAN X. Finite/fixed-time stabilization for nonlinear interconnected systems with dead-zone input［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2017， 62（5）： 2554-2560.
23	ZHANG Z， WU Y. Fixed-time regulation control of uncertain nonholonomic systems and its applications［J］. International Journal of Control， 2017， 90（7）： 1327-1344.
24	HUANG J， ZHANG Z. Nonlinear feedback design for fixed-time tracking of a class of nonlinear systems［J］. International Journal of Computer Mathematics， 2017， 94（7）： 1349-1362.
25	TIAN B， ZUO Z， YAN X， et al. A fixed-time output feedback control scheme for double integrator systems［J］. Automatica， 2017， 80： 17-24.
26	ZOU A M， LI W H. Fixed-time output-feedback consensus tracking control for second-order multiagent systems［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2019， 29（13）： 4419-4434.
27	ZOU A M， FAN Z. Fixed-time attitude tracking control for rigid spacecraft without angular velocity measurements［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2020， 67（8）： 6795-6805.
28	ZOU A M， FAN Z. Distributed fixed-time attitude coordination control for multiple rigid spacecraft［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2020， 30（1）： 266-281.
29	SHANG Y L， YE Y M. Leader-follower fixed-time group consensus control of multiagent systems under directed topology［J］. Complexity， 2017， 2017： 1-9.
30	BACCIOTTI A， ROSIER L. Liapunov functions and stability in control theory［M］. Berlin： Springer， 2005.
31	ROSIER L. Homogeneous Lyapunov function for homogeneous continuous vector field［J］. Systems & Control Letters， 1992， 19（6）： 467-473.
32	QIAN C J， LIN W. A continuous feedback approach to global strong stabilization of nonlinear systems［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2001， 46（7）： 1061-1079.
33	HU D Y， ZHANG S J， ZOU A M. Velocity-free fixed-time attitude cooperative control for spacecraft formations under directed graphs［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2021， 31（8）： 2905-2927.
34	SHI X L， CAO J D， WEN G H， et al. Finite-time stability for network systems with nonlinear protocols over signed digraphs［J］. IEEE Transactions on Network Science and Engineering， 2020， 7（3）： 1557-1569.
35	KRASTANOV M. Forward invariant sets， homogeneity and small-time local controllability［J］. Banach Center Publications， 1995， 32（1）： 287-300.
36	HU Q L， ZHANG J， FRISWELL M I. Finite-time coordinated attitude control for spacecraft formation flying under input saturation［J］. Journal of Dynamic Systems， Measurement， and Control， 2015， 137（6）： 061012.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	刘雷, 刘大卫, 王晓光, 陈俊男, 刘东兴. 无人机集群与反无人机集群发展现状及展望[J]. 航空学报, 2022, 43(S1): 726908-726908.
[2]	向锦武, 董希旺, 丁文锐, 索津莉, 沈林成, 夏辉. 复杂环境下无人集群系统自主协同关键技术[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527570-527570.
[3]	叶结松, 龚柏春, 李爽, 都延丽, 郝明瑞. 基于相对方位信息和单间距测量的多智能体编队协同控制[J]. 航空学报, 2021, 42(7): 324610-324610.
[4]	路遥. 基于跟踪微分器的高超声速飞行器Backstepping控制[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524737-524737.
[5]	罗世彬, 吴瑕, 魏才盛. 可重复使用飞行器的保性能姿态跟踪控制方法[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524660-524660.
[6]	孙筵龙, 何俊, 邢琰. 轮腿式火星探测机器人的多目标协同控制[J]. 航空学报, 2021, 42(1): 524246-524246.
[7]	徐赫屿, 王大轶, 李文博, 刘成瑞, 符方舟. 基于算子理论的系统可重构性评价与自主重构[J]. 航空学报, 2020, 41(S1): 723747-723747.
[8]	周广飞, 侯博川, 杨建华, 吴杨飞. 基于动态补偿的多电机控制算法[J]. 航空学报, 2020, 41(S1): 723771-723771.
[9]	田磊, 赵启伦, 董希旺, 李清东, 任章. 异构多智能体系统分组输出时变编队跟踪控制[J]. 航空学报, 2020, 41(7): 323727-323727.
[10]	刘佳琪, 王伟, 林德福, 林时尧. 考虑驾驶仪动态性能的指令滤波反演制导律[J]. 航空学报, 2020, 41(12): 324123-324123.
[11]	陈文亮, 潘国威, 王珉. 基于力位协同控制的大飞机机身壁板装配调姿方法[J]. 航空学报, 2019, 40(2): 522403-522403.
[12]	潘国威, 陈文亮, 王珉. 应用于飞机装配的并联机构技术发展综述[J]. 航空学报, 2019, 40(1): 522572-522572.
[13]	吕腾, 吕跃勇, 李传江, 郭延宁. 带空间协同的多导弹时间协同制导律[J]. 航空学报, 2018, 39(10): 322115-322115.
[14]	王松艳, 孙向宇, 杨胜江, 晁涛. 考虑输入饱和的制导控制一体化设计[J]. 航空学报, 2017, 38(10): 320897-320897.
[15]	黄静, 刘刚, 刘付成, 李传江. 应用旋转矩阵的卫星姿态输出反馈机动控制[J]. 航空学报, 2016, 37(12): 3774-3782.

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