面向在轨操控的多航天器期望模式运动分布式自主协同控制

航天器在轨操控包含编队飞行、悬停、绕飞、交会对接和在轨装配等多种期望模式运动，是目前世界航天发展的新趋势。有效的多体自主协同控制是实现上述多种期望模式运动的一个核心的共性科学问题。本项目拟根据基于行为方式的控制思想和一致性理论，结合智能控制技术，对这一具有共性的科学问题进行深入研究。综合利用模糊控制和人工势函数理论，给出多航天器位置和姿态协同控制策略，不仅能满足多目标控制的要求，尤为重要的是，还可以实现航天器的碰撞规避和姿态禁忌区域规避；利用时变滑模控制和连续与非连续Lyapunov稳定性理论，保证多航天器分布式协同控制器对于外部扰动、参数摄动、通信时延及拓扑结构切换的鲁棒性；在此基础上，将位置协同和姿态协同控制结果推广用于解决姿态-位置一体化协同控制问题。最后，利用计算机仿真与地面实验演示平台验证以上理论方法的有效性。

航天器在轨操控包含编队飞行、悬停、绕飞、交会对接和在轨装配等多种期望模式运动，是目前世界航天发展的新趋势。有效的多体自主协同控制是实现上述多种期望模式运动的一个核心的共性科学问题。本项目利用基于行为的控制和一致性理论，对多航天器分布式协同控制问题进行了深入研究。主要研究结果包括如下三部分：.第一部分，研究了编队飞行航天器进行队形机动时的队形协同控制问题。在编队飞行航天器的相对轨道运动中，考虑参考航天器运行在椭圆轨道上的一般情形。选取了合理的信息变量，通过局部信息交互，这些信息变量在一致性算法作用下可以趋向一致，从而实现队形捕获或队形保持的目的。综合利用一致性算法和基于行为的控制，给出了如下四种情况下的队形协同控制器：(1)全状态反馈；(2)无速度测量；(3)存在外部扰动、参数不确定性、拓扑切换和通信时延；(4) 避免碰撞。控制器设计过程中，在一定程度上考虑了执行机构的输入饱和问题。.第二部分，研究了多航天器编队姿态跟踪协同控制问题。首先，在无向通信拓扑下，研究了无外部扰动和参数不确定性的理想情况以及存在外部扰动、参数不确定性、拓扑切换和通信时延等情况下的姿态协同控制问题。然后，在航天器通信拓扑为无向树的假设下，研究了仅需要局部相对信息的多航天器编队自主姿态协同控制方法。最后，在有向通信拓扑下，基于旋转矩阵的姿态跟踪协同控制模型，研究了存在参数不确定性、外部扰动、时变通信时滞等情况下的姿态协同跟踪控制问题。.第三部分，研究了具有姿态轨道耦合的编队飞行航天器六自由度协同控制问题。首先，应用终端滑模控制，研究了有限时间姿轨耦合协同控制问题。然后，在存在参数不确定性和界值未知的时变外部扰动情况下，提出了鲁棒协同控制器。进一步，考虑了角速度和速度信息不可测量的情况，给出了自适应协同控制器。最后，将全状态反馈协同控制器应用在了同时存在拓扑切换和时变通信时延的情况。