基于事件驱动的航天器姿态智能容错控制系统设计研究

To ensure the safety and reliability of the spacecraft attitude control system, the existing attitude fault tolerant control approaches in literature were developed by using the attitude dynamics and can handle actuator faults only. On the other hand, although some fault diagnosis schemes were presented for actuator faults, most of them were developed based on actuator dynamics, which cannot be precisely established. Actually, many challenges should be addressed to ensure better attitude control reliability rather than handling actuator faults only. For example, the problems of sensor faults and attitude re-planning in presence of actuator faults should be investigated. Moreover, in practical aerospace engineering, the on-board computers’ communication capability and computation capability should be considered during the design of attitude controller. Motivated by solving these issues, applying the existing intelligent techniques, an integrated and intelligent attitude fault tolerant control system design framework will be presented in this project. This framework is designed by using event triggered-based approach. External disturbances, system uncertainties, actuator faults, and sensor faults are explicitly addressed. Moreover, this present control framework is free of the actuator dynamics. This project aims to provide the aerospace engineering and the theoretical research community with a new, integrated, and systematic design methodology to ensure high reliable attitude control.

为保证航天器姿态控制系统的可靠性与安全性，现有的研究结果主要聚焦于基于姿态动力学方程，仅考虑执行器故障进行系统级姿态控制器设计；涉及执行器单机故障的诊断方法也是大多数基于其机理模型设计而成，而此机理模型是很难精确建立的。事实上，更可靠、更安全的姿态控制实现是一个系统工程，不能仅仅单一地处理执行器故障，更需进一步处理敏感器等测量单元故障，以及紧扣航天任务完成率这一指标解决执行器故障下的期望姿态轨迹在线重规划问题。在理论方法研究的同时，也需考虑星载计算机通讯与计算能力约束，探究工程应用价值高的姿态容错控制方法。为此，本项目着眼于理论创新与工程应用，考虑外部干扰、系统不确定性、执行器故障与敏感器故障等问题，应用人工智能这一热点技术，提出了基于事件驱动且不依赖于单机机理模型的航天器姿态智能容错控制系统一体化设计方法。本项目旨在为航天器提供一种综合的、系统的、更可靠的且性能更优的姿态控制系统设计

航天器自主安全控制是其遂行各种任务的前提。然而，执行器与敏感器故障、系统不确定性、外部干扰、受限的星载计算资源等将严重影响航天器特别是微纳卫星的自主安全控制性能。该问题已成为航天控制领域热点研究方向之一。本项目面向航天器姿态高可靠性、强自主、高精度控制需求，围绕“不依赖于执行器机理模型的故障智能诊断”、“外部干扰与系统不确定性作用下姿态与角速率敏感器故障快速估计”与“执行器与敏感器故障的姿态事件驱动容错控制”三大关键科学问题，聚焦执行器故障且其机理数学模型难以精确建立的姿态智能容错控制、姿态与角速率敏感器故障的姿态容错控制、基于事件驱动的姿态容错控制与原理性验证四大研究内容，进行了较为深入的研究，提出了不依赖于执行器机理模型的航天器故障诊断与通信及计算负担小的事件驱动容错控制系列新方法，基本实现了所有既定的研究目标，研究成果将为提升航天器姿态自主控制能力提供理论支撑。项目取得的研究成果包括：出版英文学术专著3部，发表期刊论文32篇、会议论文12篇，授权发明专利5项，获国家技术发明二等奖1项、省部级技术发明一等奖2项、市厅级科学技术一等奖1项；项目组成员1人入选国家级青年人才计划，培养7名博士研究生、13名硕士研究生。