基于混合状态机的航天器自主绕飞多模态控制

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28296

电子电气工程与控制

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基于混合状态机的航天器自主绕飞多模态控制

李敏¹^,², 袁利²(), 魏春岭¹^,²

^1.北京控制工程研究所，北京　100190 2．空间智能控制技术重点实验室，北京　100190
^3.中国空间技术研究院，北京　100190

收稿日期:2022-11-21 修回日期:2022-11-28 接受日期:2022-12-07 出版日期:2022-12-15 发布日期:2022-12-14
通讯作者: 袁利 E-mail:yuanli@spacechina.com
基金资助:
国家自然科学基金(U21B6001)

Spacecraft autonomous fly-around multi-mode control based on hybrid state machine

Min LI¹^,², Li YUAN²(), Chunling WEI¹^,²

^1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 　100190，China
^2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 　100190，China
^3.China Academy of Space Technology，Beijing 　100190，China

Received:2022-11-21 Revised:2022-11-28 Accepted:2022-12-07 Online:2022-12-15 Published:2022-12-14
Contact: Li YUAN E-mail:yuanli@spacechina.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(U21B6001)

摘要/Abstract

摘要：

本文研究了对非合作目标的自主绕飞控制问题，提出了基于混合状态机的自主绕飞多模态控制方法。首先，根据自主绕飞任务目标和轨道安全性分析，定义了远程接近、近程接近、相对位置保持、绕飞转移、碰撞规避、撤离等状态以及各个状态的控制目标。其次，为了实现航天器各个行为状态之间的协调转换与控制，建立混合状态机模型对各个状态进行自主管理和监控，设计了状态之间跳转的转换函数。然后，根据不同状态的控制目标，设计了多模态运动规划与控制策略，实现多模态自适应有限时间跟踪控制。最后，对本文所提出的自主绕飞控制方法进行了仿真验证，仿真结果说明了所提出的方法的有效性。

关键词: 自主绕飞控制, 混杂系统, 有限状态机, 多模态控制, 碰撞威胁规避

Abstract:

This paper investigates the autonomous control problem for non-cooperative targets， and proposes a multi-mode control approach based on the hybrid state machine. First， according to the task objective of fly-around and orbit safety analysis， we define six states including long-range guidance， close-range guidance， relative-position keeping， fly-around transfer， collision threat avoidance， and evacuation. Moreover， the control objective of each state is designed. Second， to achieve the coordinated transitions and control between the states， a state monitoring and management approach is developed and state transition functions designed based on the finite state machine. A novel multi-mode motion plan and adaptive finite-time control strategies are then proposed to guarantee the tracking performance according to the task objective. Finally， the proposed autonomous fly-around control approach is simulated by digital simulation software， and the simulation results show the effectiveness of the proposed approach.

Key words: autonomous fly-around control, hybrid systems, finite state machine, multi-mode control, collision threat avoidance

中图分类号:

李敏, 袁利, 魏春岭. 基于混合状态机的航天器自主绕飞多模态控制[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 328296-328296.

Min LI, Li YUAN, Chunling WEI. Spacecraft autonomous fly-around multi-mode control based on hybrid state machine[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(18): 328296-328296.

图/表 26

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

事件集合及触发条件

事件	事件名称	取值	触发条件
$e 1$	绕飞观测任务开始	1	$t a s k = 1$
$e 1$	绕飞观测任务开始	0	$n ≥ n r e f \| \| t ≥ t t, r e f \| \| t a s k = 0 \| \|$ 目标观测完成
$e 2$	远程接近	1	$\| \| ρ P E 1 \| \| ≥ d 0, r e f + ε$
$e 2$	远程接近	0	$¬ e 2$
$e 3$	近程接近	1	$ρ P E 1$ $∉$ ［ $ρ n, r e f - δ n, ρ n, r e f + δ n]$
$e 3$	近程接近	0	$¬ e 3$
$e 4$	相对位置保持	1	$ρ P E 1 ∈ [ρ n, r e f - δ n, ρ n, r e f + δ n] \| \| ρ P E 1 ∈ [ρ f, r e f - δ n, ρ f, r e f + δ n] \| \| e 6 = 0$
		0	$a r c c o s (- ρ P E 1 T s / \| \| ρ P E 1 \| \|) ≤ θ + ε θ$ & $t o ≥ t o, r e f$ & $ρ ˙ P E 1 ∈ [- δ n, δ n]$ & $ρ P E 1 ∈ {[ρ n, r e f - δ n, ρ n, r e f + δ n], [ρ f, r e f - δ n, ρ f, r e f + δ n]}$
			$e 5 = 0$ & $ρ P E 1 ∈ [ρ n, r e f - δ n, ρ n, r e f + δ n] & ρ ˙ P E 1 ∈ [- δ v, δ v]$
			$e 6 = 0$ & $ρ ˙ P E 1 ∈ [- δ v, δ v] & ρ P E 1 ∈ [ρ P E 1 t k - δ n, ρ P E 1 t k + δ n]$ & $ρ ˙ P E 1 ∈ [- δ v, δ v]$
$e 5$	目标观测	1	$a r c c o s (- ρ P E 1 T s / \| \| ρ P E 1 \| \|) ≤ θ + ε θ$ & $ρ P E 1 ∈ {[ρ n, r e f - δ n, ρ n, r e f + δ n], [ρ f, r e f - δ n, ρ f, r e f + δ n]}$ & $ρ ˙ P E 1 ∈ [- δ v, δ v]$
$e 5$	目标观测	0	$t o ≥ t o, r e f$ & $ρ P E 1 ∈ {[ρ n, r e f - δ n, ρ n, r e f + δ n], [ρ f, r e f - δ n, ρ f, r e f + δ n]}$ & $ρ ˙ P E 1 ∈ [- δ v, δ v]$
$e 6$	碰撞威胁规避	1	$a b s (\| \| ρ P i 1 \| \| - d c) ≤ ε c$ & $ρ ˙ P i 1 T ρ P i 1 / \| \| ρ P i 1 \| \| ≥ 0 i ∈ {E, C}$
$e 6$	碰撞威胁规避	0	$\| \| ρ P i 1 \| \| ≥ ε c$ $i ∈ {E, C}$
$e 7$	绕飞转移	1	$t o ≥ t o, r e f$ & $ρ P E 1 ∈ [ρ r, r e f - δ n, ρ r, r e f + δ n] & ρ ˙ P E 1 = [- δ v, δ v]$
$e 7$	绕飞转移	0	$a r c c o s ρ P E 1 T t k - 1 ρ P E 1 / (\| \| ρ P E 1 t k \| \| \| \| ρ P E 1 \| \|) > 2 π / m$ & $a r c c o s (- ρ P E 1 T s / \| \| ρ P E 1 \| \|) ≤ θ + ε θ$
$e 8$	撤离	1	$e 1 = 0$
$e 8$	撤离	0	$ρ P 1 ∈ [ρ c, r e f - δ n, ρ c, r e f + δ n]$ & $ρ ˙ P 1 ∈ [ρ ˙ c, r e f - δ v, ρ ˙ c, r e f + δ v]$ & $ρ ¨ P 1 ∈ [ρ ¨ c, r e f - δ a, ρ ¨ c, r e f + δ a]$

表 1

表 2

状态转换及转换函数

状态转换函数	状态转换	转换条件
$T 0 = 1$	$q 0 → q 1$	$q 0 = 1$ & $e 1 = 1$ & $e 6 = 0$ & $e 2 = 0$
$T 0 = 1$	$q 2 → q 1$	$q 2 = 1$ & $e 1 = 1$ & $e 3 = 1$ & $e 6 = 0$
$T 1 = 1$	$q 0 → q 4$	$q 0 = 1$ & $e 6 = 1$
	$q 1 → q 4$	$q 1 = 1$ & $e 6 = 1$
	$q 2 → q 4$	$q 2 = 1$ & $e 6 = 1$
	$q 3 → q 4$	$q 3 = 1$ & $e 6 = 1$
	$q 5 → q 4$	$q 5 = 1$ & $e 6 = 1$
$T 2 = 1$	$q 0 → q 2$	$q 0 = 1$ & $e 1 = 0$ & $e 4 = 1$ & $e 6 = 0$
	$q 1 → q 2$	$q 1 = 1$ & $e 1 = 1$ & $e 4 = 1$ & $e 6 = 0$
	$q 1 → q 2$	$q 1 = 1$ & $e 1 = 0$ & $e 4 = 1$ & $e 6 = 0$
	$q 3 → q 2$	$q 3 = 1$ & $e 1 = 1$ & $e 4 = 1$ & $e 6 = 0$ & $e 7 = 0$
	$q 3 → q 2$	$q 3 = 1$ & $e 1 = 0$ & $e 6 = 0$
	$q 4 → q 2$	$q 4 = 1$ & $e 6 = 0$
$T 3 = 1$	$q 2 → q 3$	$q 2 = 1$ & $e 1 = 1$ & $e 3 = 1$ & $e 4 = 0$ & $e 6 = 0$ & $e 7 = 1$
$T 4 = 1$	$q 2 → q 1$	$q 2 = 1$ & $e 1 = 1$ & $e 2 = 1$ & $e 6 = 0$
$T 5 = 1$	$q 2 → q 5$	$q 2 = 1$ & $e 1 = 0$ & $e 6 = 0$ & $e 8 = 1$

表 2

图 5

图 6

图7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

图15

图16

图17

图18

图19

图20

图 21

图 22

图 23

图 24

参考文献 20

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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

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