[发明专利]一种考虑角速度约束的航天器姿态抗退绕控制方法

说明书

一种考虑角速度约束的航天器姿态抗退绕控制方法，第一步考虑航天器姿态控制，构建虚拟期望角速度；第二步基于第一步建立的虚拟期望角速度，构建新的抗退绕姿态偏差函数，实现航天器退绕问题的处理；第三步基于第一步和第二步，建立了新的障碍Lyapunov函数，并在此基础之上设计了在考虑角速度约束情况下的航天器姿态抗退绕控制器。本发明考虑存在角速度约束以及退绕因素在内的航天器姿态机动过程中，可以实现确保航天器保证角速度维持在实际约束范围内，并且不会出现退绕的问题，避免了航天器无用的额外转动路径，使得控制方法具有很好的实用性。

技术领域

本发明涉及一种考虑角速度约束的航天器姿态抗退绕控制方法，主要应用于考虑角速度约束和退绕问题的航天器姿态控制，属于航天器控制技术领域。

背景技术

随着各类航天器的频繁发射和使用，航天器在轨姿态控制是实现各类包括姿态调整操作的航天器工程任务的重要保证，是一项关键技术。首先在航天器姿态机动过程，由于航天器搭载各类精密设备，为避免较大的旋转角速度对于设备构成损害，航天器姿态机动的角速度大小实际需要保持在一个合理的范围内；其次，考虑航天器在姿态机动过程中退绕现象导致航天器额外转动路径的问题，这会造成不必要的能源消耗。如何实现以较小的转动角度轨迹到达期望姿态也是航天器姿态控制的一个关键技术。

基于四元数的航天器姿态动力学模型中四元数的表示方法会引起姿态的退绕现象，之前的解决方法主要是通过构建不同形式的姿态偏差函数，已有的姿态偏差函数虽然实现了抗退绕控制，却往往在航天器接近期望姿态的最后阶段无法提供较大的控制输入指令，从而需要耗费更多的操作时间。另外，关于航天器姿态机动的角速度约束大部分采用基于log函数类型的障碍Lyapunov函数来处理，但是这类函数往往会导致在航天器姿态机动的初始阶段短时间内出现较大的控制输入需求，而实际的工程操作无法满足这类条件。针对上述问题的分析，如何实现角速度约束下的航天器姿态抗退绕控制是当前航天器控制工程领域中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：由于航天器姿态机动过程中角速度大小会被要求保持在合理范围内以确保搭载设备的正常工作，加之为避免航天器姿态退绕现象的出现，本发明提供一种考虑角速度约束的航天器姿态抗退绕控制方法，它是一种具有维持航天器角速度大小在工作约束范围内的姿态抗退绕控制方法。本发明提出的新型Lyapunov函数只涉及到基本运算，不包含log形式，降低了相应控制器设计的复杂程度，同时避免了基于传统log类型障碍Lyapunov函数设计的控制器在初始阶段短时间内需要较大的控制输入不足。

本发明的技术解决方案为一种考虑角速度约束的航天器姿态抗退绕控制方法，其实现步骤如下：

(1)根据航天器姿态机动任务，建立基于四元数描述方式的航天器姿态运动学和动力学方程，构建航天器虚拟期望角速度；

(2)基于考虑航天器姿态的退绕问题，设计一种新的姿态偏差函数；

(3)基于航天器虚拟期望角速度和新的姿态偏差函数，设计一种新的障碍Lyapunov函数；并结合新的姿态偏差函数设计考虑角速度约束的航天器姿态抗退绕控制器，最终实现考虑角速度约束的航天器姿态抗退绕控制。

所述步骤(1)中基于四元数描述方式的航天器姿态运动学和动力学方程为：