基于位移场测量的挠性航天器姿态控制与振动抑制研究

Affected by the complex environmental perturbations, a flexible spacecraft often undergoes severe deformation and vibration, which harms the mission objective on board or even causes operation failures. Traditional vibration measure techniques such as pasting piezoelectric strain gauge changes the mechanical property of the structure to be measured, and its application is often limited by the installation condition. The displacement field measure techniques, such as photogrammetry, require developing controllers based on dynamic models in physical space. However, most proposed dynamic models in physical space do not perform as good objects in control strategy design. Thus, based on the theories of dynamics and control of the flexible structure, this study proposes a research on the dynamic modeling, measuring point configuration, attitude control and vibration suppression, combined with the displacement field measurement. Specifically, the study includes: 1) mechanism of dynamic modeling oriented to the displacement field measurement, 2) self-adjusted measure point configuration based on the displacement field feedback, 3) centralized vibration suppression of the flexible appendage based on the displacement field feedback 4) attitude control system design of the flexible spacecraft based on the displacement field feedback, and 5) ground experiment of the proposed attitude control and vibration suppression strategies. On the complete of the project, it will provide novel methodology for the large flexible space structure with displacement field measure device on the aspect of dynamic analysis and control system design, it will also serve the possible future engineering applications of this kind of structure.

挠性航天器受到复杂空间环境的干扰可能发生严重形变和振动，影响星上任务完成，危害运行安全。传统的振动测量方式如加装应变片等适用范围有限且影响被测件力学性能，而常用的基于模态空间的动力学建模、姿态控制和振动抑制无法满足未来航天工程高精度、高稳定度的要求。以摄影测量为代表的位移场测量新技术，需求基于物理空间模型的控制器，但是目前物理空间的动力学模型大多不适合控制器设计。为此本项目基于挠性结构动力学与控制的相关理论，结合位移场测量技术，开展物理空间挠性结构动力学建模、测点配置、姿态控制和振动抑制研究，具体研究内容包括：面向位移场测量的挠性结构动力学建模机理分析、基于位移场信息反馈的可变自主测点方案设计、挠性附件集中式振动抑制、挠性航天器姿态控制系统设计、以及姿态控制和振动抑制地面物理实验验证。研究结果可以获得面向位移场测量的空间大挠性结构动力学分析和控制系统设计新方法，为其工程应用提供技术支撑。

挠性航天器的姿态控制与挠性部件的振动抑制问题自从提出以来一直是学术研究和工程领域的热点。挠性附件振动产生的耦合力矩给航天器姿态控制带来巨大挑战，而传统控制方法在该方面仍有不足。近年来，随着视觉测量和人工智能技术的发展，机器学习与传统航天动力学控制的结合受到了国内外学界的广泛重视。基于视觉测量的智能控制技术对于强非线性、强耦合对象的控制具有明显优势，是未来航天领域重要的发展方向。本项目以我国正在发展的大型空间站、新一代同步轨道大天线通信卫星等需求为背景，基于位移场信息反馈和人工智能新技术，结合姿态动力学、多柔体动力学等相关理论，开展大挠性航天器附件振动抑制及高精度高稳姿态控制的研究，通过数值仿真和地面实验验证等方式，取得如下成果：对现有的大挠性航天器动力学模型进行总结，并在此基础上，选择挠性部件的位移场作为系统广义变量建立动力学模型，并利用全局位移场信息作为反馈进行控制，充分发挥视觉测量的优势，避免传统方法模态辨识引入的误差。数值仿真证明该方法具有广泛的应用前景。结合数据挖掘技术，提出了位移场反馈信息的智能筛选、组合和调整方法。该方法可以针对不同任务场景和需求，满足卫星良好自主运行所需的控制性能要求；设计了基于位移场信息的抗干扰耦合力矩辨识器，并将辨识器与传统控制方法结合，在振动抑制和姿态控制方面取得了良好的效果。针对不确定对象，结合深度强化学习等方法，研究了基于机器学习的智能控制方法，并将其应用于空间碎片消旋、大挠性航天器姿态控制、不依赖模型的航天器通用控制器设计等问题，对控制器性能进行了深入研究。最后，本项目进行了地面半物理实验验证。利用深度相机对挠性太阳能帆板进行振动测量和耦合力矩辨识，验证了基于位移场测量的智能辨识方法。本项目的研究成果拓展了大挠性航天器动力学与控制的新方向，解决了若干技术应用的关键问题，为我国高品质空间任务提供了理论储备和技术支撑。