›› 2012, Vol. 32 ›› Issue (5): 27-33.doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2012.05.005

• 研究探讨 • 上一篇    下一篇

轮控欠驱动航天器的姿态控制特性

 桂海潮1, 徐世杰1, 金磊1, 张军2   

  1. (1北京航空航天大学,北京100191)(2空间智能控制技术国家级重点实验室,北京100190)
  • 收稿日期:2011-10-20 修回日期:2012-03-14 出版日期:2012-10-25 发布日期:2012-10-25
  • 作者简介:桂海潮 1986年生,2009年毕业于北京航空航天大学空间飞行器设计专业,现为博士研究生。研究方向为航天器姿态动力学与控制。
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(10902003),国家973计划,重点实验室基金资助项目

ControlPropertyoftheSpacecraftAttitudeUnderactuatedbyWheels

 GUI  Hai-Chao1, XU  Shi-Jie1, JIN  Lei1, ZHANG  Jun2   

  1. (1BeihangUniversity,Beijing100191)
    (2NationalLaboratoryofSpaceIntelligentControl,Beijing100190)
  • Received:2011-10-20 Revised:2012-03-14 Online:2012-10-25 Published:2012-10-25

摘要: 针对由飞轮控制的欠驱动航天器,研究了直接以飞轮转速为控制输入时航天器姿态的小时间局部可控性与可镇定性。首先,视飞轮转速为输入,将航天器与飞轮总角动量守恒的约束直接纳入系统动力学方程中。然后,利用非线性系统的可控性与可镇定性理论分析该系统方程在分别带有一个和两个飞轮时的控制特性。结果表明,仅在带有两个非共轴的飞轮时航天器的姿态才有可能满足局部可控;同时,系统已经不能被时不变光滑状态反馈渐近镇定,但至少可以被分段连续的状态反馈渐近镇定。据此,设计了基于四元数的非光滑控制器使得航天器的姿态迅速镇定,同时飞轮转速不超过最大转速,既验证了理论分析结果的正确性,又具有一定的实用意义。

关键词: 姿态控制, 反作用飞轮, 局部可控, 渐进镇定, 欠驱动航天器

Abstract: Smalltimelocalcontrollability(STLC)andstabilizabilityofthespacecraftattitudeunderactuatedbyreactionwheels(RWs)wereinvestigatedwiththewheelspeedsascontrolinputs.Firstly,withthewheelspeedsbeingtreatedasinputs,theconservationconstraintofthetotalangularmomentumofthespacecraftandRWswasdirectlybroughtintothedynamicsofthesystem.ThennonlinearcontrollabilityandstabilizabilitytheorywereutilizedtoanalyzethecontrolpropertyofthisdynamicswithoneandtwoRWsrespectively.TheresultsshowthattheSTLCofthespacecraftattitudeispossibleonlywhentwononcoaxialRWsareavailable.Simultaneously,thesystemcannotbeasymptoticallystabilizedbyatimeinvariantsmoothfeedback,butitstillcanbeasymptoticallystabilizedatleastbyapiecewisecontinuousfeedback.Accordingly,anonsmoothcontrollawbasedonquaternionwasconstructedtostabilizethespacecraftattitudewithwheelspeedsunderthesaturationlimits,whichnotonlyconfirmsthetheoreticaloutcomesbutalsoispracticallyuseful.

Key words: Reactionwheel, Localcontrollability〓AsymptoticstabilizationUnderactuatedspacecraftReactionwheel, Localcontrollability, Asymptoticstabilization, Underactuatedspacecraft