[发明专利]基于挠性航天器无角速度测量的姿态控制方法

说明书

本发明提供了一种基于挠性航天器无角速度测量的姿态控制方法，利用非永久性运动学参数的三维集来建立挠性航天器的运动学方程，采用Cayley‑Rodrigues参数来描述挠性航天器的姿态，并采用混合坐标法对中心刚体带有挠性附件的挠性航天器建立姿态动力学方程，对于Cayley‑Rodrigues参数描述的挠性航天器的姿态控制系统模型，采用状态反馈的控制思想，并基于李雅普诺夫直接法设计一种基于状态反馈的姿态控制律。本发明的有益效果是：避免了实际控制系统中的角速度传感器的使用，解决了挠性航天器在飞行过程中需要实时的角速度传感器的测量数据才能实现航天器姿态的稳定控制问题，完成挠性航天器的高鲁棒性控制。

技术领域

本发明涉及航天器的姿态控制方法，尤其涉及一种基于挠性航天器无角速度测量的姿态控制方法。

背景技术

传统姿态控制器中需要角速度传感器的测量信息数据，其价格昂贵且易出故障，影响实际航天器控制系统的应用，不能保证优良的鲁棒性。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于挠性航天器无角速度测量的姿态控制方法，避免了实际控制系统中的角速度传感器的使用。

本发明提供了一种基于挠性航天器无角速度测量的姿态控制方法，利用非永久性运动学参数的三维集来建立挠性航天器的运动学方程，采用Cayley-Rodrigues参数来描述挠性航天器的姿态，并采用混合坐标法对中心刚体带有挠性附件的挠性航天器建立姿态动力学方程，对于Cayley-Rodrigues参数描述的挠性航天器的姿态控制系统模型，采用状态反馈的控制思想，并基于李雅普诺夫直接法设计一种基于状态反馈的姿态控制律。

作为本发明的进一步改进，采用Cayley-Rodrigues参数来描述挠性航天器的姿态，以此为基础的挠性航天器的控制系统模型的运动学方程和动力学方程分别如下所示：

Cayley-Rodrigues参数系统模型的运动学方程：

其中，ρ为Rodrigues参数向量，其反对称矩阵为：

Cayley-Rodrigues参数系统模型的动力学方程：

其中，S(ω)为ω的反对称矩阵，即

J_mb＝J-δ^Tδ表示为主体惯量矩阵，为挠性附件的总速度，ω表示挠性航天器的姿态角速度；δ表示为刚体航天器与挠性附件的耦合作用矩阵；C，K分别表示为阻尼矩阵和刚度矩阵，

C＝diag{2ξ_iω_ni,i＝1,...,N}

考虑N个弹性模态，其对应的自然角频率为ω_ni，i＝1，2，...，N，对应的阴尼为ζ_i，i＝1，2，...，N；J_mb为刚体部分的转动惯量，u表示控制力矩。

作为本发明的进一步改进，假设挠性模态变量是可测的，而姿态角速度不可测，则对于Cayley-Rodrigues参数描述的姿态控制系统模型，设计如下的滤波器：

考虑C_v(s)的一个任意的最小实现如下所示：

因C_v(s)为线性时不变且严格正则的传递函数矩阵，根据Kalman-Yakubovich-Popv引理可知，存在如下的正定矩阵P₁和Q₁