一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法与流程

技术特征：
1.一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其步骤如下：步骤1，对复杂皮纳卫星进行三维建模，并建立相应的动力学模型；步骤2，根据动力学模型建立动力学轨迹跟踪控制算法；步骤3，根据控制目标进行轨迹规划和性能泛函的设计；步骤4，通过非线性优化算法对性能泛函进行优化，从而得到复杂皮纳卫星快速机动的最优控制。2.根据权利要求1所述的一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其特征在于：步骤1中三维建模后的复杂皮纳卫星包括卫星本体，所述卫星本体通过三连杆的机械臂与天线连接，所述卫星本体内设置有电子系统、能源系统、储能装置、推进装置、通信装置。3.根据权利要求2所述的一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其特征在于：步骤1中动力学模型建模的具体如下：步骤11，确定惯性系统的质心位置信息；步骤12，确定卫星本体的运动学方程；步骤13，根据惯性系统的质心位置信息和卫星本体的运动学方程获得卫星本体上的机械臂的运动学方程；步骤14，建立带有机械臂的复杂皮纳卫星动力学方程。4.根据权利要求3所述的一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其特征在于：所述惯性系统的质心位置表示为：其中p
n
表示第n个部件在惯性系中的坐标位置，m
n
为其对应的质量。5.根据权利要求4所述的一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其特征在于：所述卫星本体的运动学方程使用欧拉角来表示，具体如下：其中α，β，γ表示卫星本体的三个姿态角，ω表示为卫星本体的角速度矩阵，n
φ
表示左乘矩阵的简写，表示右边向量的简写。6.根据权利要求4所述的一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其特征在于：所述卫星本体的运动学方程使用四元数来表示，具体如下：其中e表示单位旋转轴矢量，ψ为对应的旋转角，q表示四元数；对上式求导得到：其中e
n
为n阶单位矩阵，且q
×
表示为：
此时角速度也可以表示为：7.根据权利要求5或6所述的一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其特征在于：卫星本体上机械臂的运动学方程的建立如下：第i 1根连杆的角速度可以表示为：其中表示第i个部件到第i 1个部件的坐标转换矩阵，表示第i个部件旋转轴的单位向量，这里表示关节角速度；第i 1根连杆的末端速度可以表示为：其中
i
p
i 1
表示第i 1个部件的坐标原点在第i个部件的坐标下的向量；由此可以得到第i 1的部件的角加速度和加速度： 1的部件的角加速度和加速度：同时也可以得到第i 1根连杆质心位置的线速度：最后根据牛顿方程和欧拉方程可以得到每个部件受到的合力和扭矩：最后根据牛顿方程和欧拉方程可以得到每个部件受到的合力和扭矩：因此每个机械臂关节的扭矩可以表示为：8.根据权利要求7所述的一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其特征在于：带有机械臂的复杂皮纳卫星动力学方程表示为：其中m(θ)，b(θ)和c(θ)都是关于关节空间θ的复杂函数，为机械臂的质量矩阵，是哥氏系数矩阵，是离心力系数矩阵；和可以表示为：可以表示为：记：
则有：利用便可以积分得到复杂皮纳卫星的加速度矩阵和θ。9.根据权利要求8所述的一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其特征在于：步骤2中动力学轨迹跟踪控制算法的建立如下：已知参考结构为非线性多变量系统控制，n个关节的复杂皮纳卫星动力学模型可以表示为可以用下式表示其状态函数：且：机械臂的控制问题简化成了找到稳定控制律y；为此选：得到二阶系统方程：假定矩阵k
p
和k
d
正定，上式渐进稳定；令k
p
和k
d
为如下对角阵：为如下对角阵：得到解耦系统；参考因素r
i
只影响关节变量q
i
，二者是自然频率ω
nn
和阻尼比ξ
n
决定的二阶输入输出关系；给定任意期望轨迹θ
d
，为保证输出θ跟踪该轨迹，选择：10.根据权利要求9所述的一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其特征在于：步骤3中以三次样条曲线对复杂皮纳卫星的角度空间进行轨迹规划，其具体如下：定义三次样条曲线的函数形式为：s(t)＝{q
k
(t)，t∈[t
k
，t
k 1
]，k＝0，
…
，n-1}q
k
(t)＝a
k0
a
k1
(t-t
k
) a
k2
(t-t
k
)2 a
k3
(t-t
k
)3对于每段三次样条曲线，有：其中：t
k
＝t
k 1-t
k
通过解上面的方程可以得到：考虑加速度的连续条件：整理后得到递推式：上式可以整理成：简写为：a(t)v＝c(t，θ，v0，v
n
)其中t＝[t1，t2，...，t
n-1
]
t
，θ＝[q1，q2，...，q
n
]
t
，a(t)具有对角占优结构，因此可以得到：v＝a(t)-1
c(t，q，v0，v
n
)至此，将复杂皮纳卫星的空间快速机动过程转化为以下最优化问题：将复杂皮纳卫星的空间快速机动过程转化为以下最优化问题：将复杂皮纳卫星的空间快速机动过程转化为以下最优化问题：a(t)v＝c(t，θ，v0，v
n
)-u
max
≤u≤u
max

技术总结
一种复杂皮纳卫星快速机动控制方法，其步骤如下：步骤1，对复杂皮纳卫星进行三维建模，并建立相应的动力学模型；步骤2，根据动力学模型建立动力学轨迹跟踪控制算法；步骤3，根据控制目标进行轨迹规划和性能泛函的设计；步骤4，通过非线性优化算法对性能泛函进行优化，从而得到复杂皮纳卫星快速机动的最优控制。本发明充分调动卫星各执行机构，以整体控制为主要思路，利用卫星附带的机械臂对卫星本体进行辅助机动，能够实现在轨快速机动，在轨快速定向等任务，能够减轻卫星本体的姿态控制负荷，进一步加大卫星整体的控制极限。步加大卫星整体的控制极限。步加大卫星整体的控制极限。


技术研发人员：李鹏 汤明昊
受保护的技术使用者：浙江众星志连科技有限责任公司
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2022/5/25