陀螺柔性航天器姿态/振动/能量一体化控制

Gyroelastic spacecraft refers to a flexible spacecraft with distributed angular momentum exchange devices on the structure. The angular momentum exchange devices can exert distributed control torques for attitude control and vibration suppression. In this proposal, we propose to utilize the spinning rotor for energy storage simultaneously, so that an integrated power/attitude/vibration control can be achieved. This idea can make full use of the distributed angular momentum exchange devices, reduce the mass of the energy storage system, and obtain a reliable and integrated control strategy. However, the gyroelastic spacecraft is a multibody system composed of flexible bodies, rigid bodies and spinning rotors. It is quite challenging to establish the equations of motion and develop the controller for such system. In this study, the port-Hamiltonian system theory will be adopted for the dynamics modeling; the energy transfer mechanism, the equilibrium and stability conditions of the system would be analyzed; a controller considering the limited input by the angular momentum devices and the corresponding steering laws would be designed; a ground testbed for the gyroelastic spacecraft would be constructed to validate the developed theories. This work would enrich the theories and applications of the multibody dynamics and spacecraft dynamics and control. The obtained theoretical results can serve for the design of huge flexible spacecraft in future.

在大型柔性航天器的结构上分布式安装角动量交换装置，能够施加分布作用力矩实现姿态和振动控制，此类系统被称为“陀螺柔性航天器”。本项目基于此概念，提出同时利用角动量交换装置中高速旋转的转子存储和释放能量，实现航天器的姿态/振动/能量一体化控制。该方案能够最大化地发挥分布式角动量交换装置的作用，降低能量存储系统的质量，实现高度集成、可靠的控制。陀螺柔性航天器是由柔体、刚体和高速转子组成的多体系统，建模和控制难度大，而增加的能量控制目标给研究带来更大挑战。本项目将在端口哈密顿系统理论体系下，建立陀螺柔性航天器的动力学模型并揭示其内部能量传递的机理、分析系统平衡状态和稳定性条件、设计考虑执行机构特性的输入受限控制器、发展分布式角动量交换装置的操纵律、搭建地面试验系统验证所得理论。本研究将丰富多体系统动力学、航天器动力学与控制等领域的研究成果和应用范围，为未来大型柔性航天器设计提供新理论和新技术。

在大型柔性航天器的结构上分布式安装角动量交换装置，能够施加分布作用力矩实现姿态和振动控制，此类系统被称为“陀螺柔性航天器”。本项目基于此概念，提出同时利用角动量交换装置中高速旋转的转子存储和释放能量，实现航天器的姿态/振动/能量一体化控制。主要研究内容与进展如下：建立了陀螺柔性航天器的动力学模型。分析了陀螺柔性航天器的平衡状态，并推导了其稳定性条件；基于在柔性部件上分布安装VSCMGs，设计了柔性结构的振动控制方案，提高结构的稳定性和抗干扰能力。针对陀螺柔性航天器的姿态/振动/能量一体化控制问题，分别对约束边界和自由边界两种工况，设计了陀螺柔性航天器的姿态振动控制器及陀螺操纵律，减轻了在柔性结构上分布角动量交换装置对系统质量和管理复杂性的影响。同时，针对陀螺柔性航天器由于柔性部件尺度大、需要采取在轨组装方式进行部署的问题，提出了一种基于凸规划差分的分散闭环优化方法；针对在轨组装过程中系统构型、惯量等参数变化的情形，提出了一种基于强化学习的智能分布式姿态控制和振动抑制算法。最后，开展了地面试验验证，搭建了陀螺柔性航天器地面试验系统，设计了振动检测方案、以及新型的剪刀构型CMG和X构型VSCMG，地面实验验证了算法的有效性。在本项目的支持下，在国内外学术期刊和学术会议上发表论文24篇，其中SCI检索期刊论文5篇，EI检索期刊论文3篇，国际学术会议论文6篇（其中EI检索国际会议论文4篇），国内学术会议论文10篇，授权国家发明专利5项，受理国家发明专利1项。培养硕士生5人，博士生4人。