基于横截函数的欠驱动航天器姿态跟踪方法

doi:10.7527/S1000-6893.2024.28910

全驱系统理论及其在航空航天领域的应用专栏

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基于横截函数的欠驱动航天器姿态跟踪方法

段超¹, 邵小东², 胡庆雷¹^,³(), 吴淮宁¹

^1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京　100191
^2.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京　100191
^3.天目山实验室，杭州　310023

收稿日期:2023-04-21 修回日期:2023-06-16 接受日期:2023-07-27 出版日期:2024-01-15 发布日期:2023-08-14
通讯作者: 胡庆雷 E-mail:huql_buaa@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62227812);天目山实验室科研项目(TK-2023-B-010)

Attitude tracking of underactuated spacecraft based on transverse function

Chao DUAN¹, Xiaodong SHAO², Qinglei HU¹^,³(), Huaining WU¹

^1.School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 　100191，China
^2.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 　100191，China
^3.Tianmushan Laboratory，Hangzhou 　310023，China

Received:2023-04-21 Revised:2023-06-16 Accepted:2023-07-27 Online:2024-01-15 Published:2023-08-14
Contact: Qinglei HU E-mail:huql_buaa@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62227812);Tianmushan Laboratory Research Project(TK-2023-B-010)

摘要/Abstract

摘要：

针对航天器姿态跟踪任务，考虑一种配置2个独立动量交换型执行机构的欠驱动航天器，提出了一种基于横截函数的任意姿态轨迹跟踪控制律。利用三维特殊正交群 $S O (3)$ 建立航天器姿态运动学方程，并基于动量守恒条件，将动力学方程与运动学统一写成以执行机构输出角动量为控制输入的降阶系统。利用横截条件与 Lie 代数秩条件构造基于 $S O (3)$ 的横截函数，其本质为能够任意逼近平衡点的一个嵌入子流形，并基于横截函数与姿态误差建立降阶跟踪控制系统的伴随系统。针对伴随系统，提出了一种光滑静态反馈控制律，利用 Morse 函数证明了对于任意轨迹闭环系统的最终有界稳定性。进一步针对可行轨迹，基于零动态系统设计了横截函数的参数自调整律，使得在零动态时横截函数趋近跟踪系统的平衡点，证明了闭环系统具有指数稳定性。最后，通过数值仿真验证了提出控制器的有效性。

关键词: 欠驱动, 航天器, 姿态控制, Lie群, 横截函数, 可行轨迹

Abstract:

The attitude tracking of an underactuated spacecraft with two independent actuators of the momentum exchange type is considered， and an arbitrary attitude trajectory tracking control law is proposed based on the transverse function. The kinematic equations of the rigid spacecraft attitude are established using the three-dimensional special orthogonal group $S O (3)$ . Based on the momentum conservation condition， the kinematic equations are unified with the kinematics as a reduced-order system with the output angular momentum of the actuator as the control input. The transverse condition is used to construct the transverse function based on the Lie algebraic rank condition， which is essentially an embedded submanifold that can approach the equilibrium point arbitrarily. The adjoint system of the reduced-order tracking control system is established based on the transverse function and the attitude error. For the accompanying system， a smooth static feedback control law is proposed， and the ultimately bounded stability of the closed-loop system for arbitrary trajectories is proved by using the Morse function. Furthermore， for the feasible trajectory， the parameter adjustment law of the transverse function is designed based on the zero dynamic system， so that the transverse function converges to the equilibrium point of the tracking system at zero dynamic， and the closed-loop system is proved to have exponential stability. Finally， the effectiveness of the proposed controller is verified by numerical simulation.

Key words: underactuation, spacecraft, attitude control, Lie group, transverse function, feasible trajectory

中图分类号:

V488.2

段超, 邵小东, 胡庆雷, 吴淮宁. 基于横截函数的欠驱动航天器姿态跟踪方法[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628910-628910.

Chao DUAN, Xiaodong SHAO, Qinglei HU, Huaining WU. Attitude tracking of underactuated spacecraft based on transverse function[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(1): 628910-628910.

图/表 10

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参考文献 28

1	TAFAZOLI M. A study of on-orbit spacecraft failures［J］. Acta Astronautica， 2009， 64（2-3）： 195-205.
2	UO M， SHIRAKAWA K， HASHIMOTO T， et al. Attitude control challenges and solutions for hayabusa spacecraft［C］∥ Proceedings of the AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit. Reston： AIAA， 2006.
3	CROUCH P. Spacecraft attitude control and stabilization： applications of geometric control theory to rigid body models［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 1984， 29（4）： 321-331.
4	KRISHNAN H， REYHANOGLU M， MCCLAMROCH H. Attitude stabilization of a rigid spacecraft using two control torques： a nonlinear control approach based on the spacecraft attitude dynamics［J］. Automatica， 1994， 30（6）： 1023-1027.
5	BROCKETT R W. Asymptotic stability and feedback stabilization［J］. Differential Geometric Control Theory， 1983： 181-191.
6	HORRI N M， PALMER P. Practical implementation of attitude-control algorithms for an underactuated satellite［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2012， 35（1）： 40-45.
7	TSIOTRAS P， LUO J H. Control of underactuated spacecraft with bounded inputs［J］. Automatica， 2000， 36（8）： 1153-1169.
8	MORIN P， SAMSON C. Time-varying exponential stabilization of a rigid spacecraft with two control torques［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 1997， 42（4）： 528-534.
9	GUI H C， VUKOVICH G. Robust adaptive spin-axis stabilization of a symmetric spacecraft using two bounded torques［J］. Advances in Space Research， 2015， 56（11）： 2495-2507.
10	GODARD， KUMAR K D. Fault tolerant reconfigurable satellite formations using adaptive variable structure techniques［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2010， 33（3）： 969-984.
11	崔祜涛，程小军. 考虑输入饱和的两飞轮驱动航天器视线轴控制［J］. 航空学报， 2013， 34（3）： 644-654.
	CUI H T， CHENG X J. Line-of-sight pointing control of spacecraft actuated by two flywheels considering input saturation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2013， 34（3）： 644-654 （in Chinese）.
12	BEHAL A， DAWSON D， ZERGEROGLU E， et al. Nonlinear tracking control of an underactuated spacecraft［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2002， 25（5）： 979-985.
13	郭延宁，宋斌，马广富. 基于势函数法的双飞轮航天器姿态机动控制［C］∥第三十二届中国控制会议论文集（D卷）. 北京：中国自动化学会控制理论专业委员会， 2013： 5132-5137.
	GUO Y N， SONG B， MA G F. Attitude maneuver control of two-flywheel spacecraft using potential function method［C］∥Proceedings of the 32nd Chinese Control Conference， Technical Committee on Control Theory （Volume D）. Beijing： Chinese Association of Automation， 2013： 5132-5137 （in Chinese）.
14	LI H P， YAN W S， SHI Y. Continuous-time model predictive control of under-actuated spacecraft with bounded control torques［J］. Automatica， 2017， 75： 144-153.
15	PETERSEN C D， LEVE F， KOLMANOVSKY I. Model predictive control of an underactuated spacecraft with two reaction wheels［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2017， 40（2）： 320-332.
16	MORIN P， SAMSON C. Practical stabilization of driftless systems on Lie groups： the transverse function approach［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2003， 48（9）： 1496-1508.
17	LEE U， MESBAHI M. Feedback control for spacecraft reorientation under attitude constraints via convex potentials［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2014， 50（4）： 2578-2592.
18	LEE D， SANYAL A K， BUTCHER E A. Asymptotic tracking control for spacecraft formation flying with decentralized collision avoidance［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2015， 38（4）： 587-600.
19	LEE D， VUKOVICH G. Robust adaptive terminal sliding mode control on SE（3） for autonomous spacecraft rendezvous and docking［J］. Nonlinear Dynamics， 2016， 83（4）： 2263-2279.
20	LEE T. Geometric tracking control of the attitude dynamics of a rigid body on SO（3）［C］∥ Proceedings of the 2011 American Control Conference. Piscataway： IEEE Press， 2011： 1200-1205.
21	BIGGS J D， BAI Y L， HENNINGER H. Attitude guidance and tracking for spacecraft with two reaction wheels［J］. International Journal of Control， 2018， 91（4）： 926-936.
22	BIGGS J D， HENNINGER H C. Motion planning on a class of 6-D lie groups via a covering map［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2019， 64（9）： 3544-3554.
23	MORIN P， SAMSON C. Control of nonholonomic mobile robots based on the transverse function approach［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2009， 25（5）： 1058-1073.
24	MORIN P， SAMSON C. Control with transverse functions and a single generator of underactuated mechanical systems［C］∥ Proceedings of the 45th IEEE Conference on Decision and Control. Piscataway： IEEE Press， 2007： 6110-6115.
25	GUI H C， VUKOVICH G， XU S J. Attitude tracking of a rigid spacecraft using two internal torques［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2015， 51（4）： 2900-2913.
26	BULLO F， LEWIS A D. Geometric control of mechanical systems： modeling， analysis， and design for simple mechanical control systems［M］. New York： Springer， 2005.
27	GUI H C， JIN L， XU S J. Attitude maneuver control of a two-wheeled spacecraft with bounded wheel speeds［J］. Acta Astronautica， 2013， 88： 98-107.
28	SLOTINE J J E， LI W P. Applied nonlinear control［M］. Englewood Cliffs： Prentice Hall， 1991.

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[1]	仇钰清, 李俨, 郎金溪, 刘育衔, 王重. 高速直升机过渡模态鲁棒自适应姿态控制[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 529927-529927.
[2]	张鸿林, 罗建军, 马卫华. 基于机器学习的航天器规避目标威胁博弈决策[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 329136-329136.
[3]	张瑞桐, 汪雷, 刘佳佳, 朱继宏. 考虑接头参数化的空间桁架轻量化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529715-529715.
[4]	张赛, 杨震, 杜向南, 罗亚中. 基于轨道可达域的机动航天器接近威胁规避方法[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 328778-328778.
[5]	宁铠, 吴宝林. 基于事件驱动的航天器星下点轨迹维持控制[J]. 航空学报, 2024, 45(10): 329412-329412.
[6]	张大蔚, 刘国平. 时变通信约束下航天器绕飞的高阶全驱预测控制方法[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628633-628633.
[7]	方乐言, 蒙晗, 侯明哲. 带有参数精确估计的迭代学习滑模控制及应用[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628889-628889.
[8]	段广全, 刘国平. 基于全驱系统方法的组合航天器位姿自适应预设性能控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628837-628837.
[9]	杨梓霄, 李世尧, 魏晨, 李湛, 朱波. 基于低阶干扰估计器的欠驱动三自由度直升机鲁棒控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 629056-629056.
[10]	肖冰, 张海朝. 航天器姿态稳定强化学习鲁棒最优控制方法[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628890-628890.
[11]	刘明, 范睿超, 邱实, 曹喜滨. 基于全驱系统理论的航天器姿轨预设性能控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628313-628313.
[12]	崔凯鑫, 段广仁. 基于干扰观测器的一类组合航天器高阶全驱抗干扰控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 628892-628892.
[13]	刘晨阳, 吴大伟, 郭一泽, 吕欣赛, 周佳妮, 邵书义. 不确定强耦合下四旋翼姿态鲁棒自适应控制[J]. 航空学报, 2023, 44(S1): 727645-727645.
[14]	何林坤, 薛文超, 张冉, 李惠峰. 运载火箭动力着陆段制导控制方法综述与展望[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 628462-628462.
[15]	屠园园, 王大轶, 张香燕, 李嘉兴, 黄晓峰. 航天器的可重构性与自主重构方法[J]. 航空学报, 2023, 44(23): 628855-628855.

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Attitude tracking of underactuated spacecraft based on transverse function

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