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:2023-05-25 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:2023-05-25 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

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