[发明专利]基于姿态旋转矩阵的控制性能边界设计方法、装置及介质

说明书

本发明实施例公开了一种基于姿态旋转矩阵的控制性能边界设计方法、装置及介质；该方法包括：根据刚体本体系相对于惯性系的当前姿态旋转矩阵和刚体本体系相对于惯性系的期望姿态旋转矩阵获取针对被控刚体的姿态误差矩阵；根据所述姿态误差矩阵生成姿态误差函数；根据基于姿态旋转矩阵的无穷小转动的表达式计算姿态误差函数的导数；利用叉乘运算和迹运算的性质化简姿态误差函数的导数并导出3维姿态误差向量；根据设定的控制性能要求，对所述姿态误差向量中的每个分量进行不等式约束；利用SO(3)上的平移不变度量将所述对姿态误差向量中每个分量的不等式约束上界转化为对被控刚体在所述控制性能要求下的姿态误差边界，即控制性能边界。

技术领域

本发明实施例涉及航天器姿态控制技术领域，尤其涉及一种基于姿态旋转矩阵的控制性能边界设计方法、装置及介质。

背景技术

针对刚体的姿态控制，在机器人、机械臂及航天器等相关领域有重要应用。以航天器为例，卫星在轨执行任务时需要进行定向、跟踪、捕获等各种姿态机动。而目前常规的姿态控制方案一般选用欧拉角或者四元数作为姿态控制系统的姿态参数，然而这些参数不能全局且唯一的表示刚体姿态，这样就会造成奇异问题或双值问题的出现，进而影响姿态控制的精度或准确度。此外，在一些姿态机动任务中，通常还希望能够实现对给定信号的跟踪，并且要求跟踪误差满足给定的性能约束条件，而目前常规的姿态控制方案并没有提供有效地解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例期望提供一种基于姿态旋转矩阵的控制性能边界设计方法、装置及介质；能够避免奇异问题或双值性问题的产生，提高控制的精度和准确度。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种基于姿态旋转矩阵的控制性能边界设计方法，所述方法包括：

根据刚体本体系相对于惯性系的当前姿态旋转矩阵和刚体本体系相对于惯性系的期望姿态旋转矩阵获取针对被控刚体的姿态误差矩阵；

根据所述姿态误差矩阵生成姿态误差函数；

根据基于姿态旋转矩阵的无穷小转动的表达式计算姿态误差函数的导数；

利用叉乘运算和迹运算的性质化简姿态误差函数的导数并导出3维姿态误差向量；

根据设定的控制性能要求，对所述姿态误差向量中的每个分量进行不等式约束；

利用SO(3)上的平移不变度量将所述对姿态误差向量中每个分量的不等式约束上界转化为对被控刚体在所述控制性能要求下的姿态误差边界，即控制性能边界。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于姿态旋转矩阵的控制性能边界设计装置，所述装置包括：所述装置包括：获取部分、生成部分、导出部分、约束部分和转化部分；其中，

所述获取部分，经配置为根据刚体本体系相对于惯性系的当前姿态旋转矩阵和刚体本体系相对于惯性系的期望姿态旋转矩阵获取针对被控刚体的姿态误差矩阵；

所述生成部分，经配置为根据所述姿态误差矩阵生成姿态误差函数；

所述导出部分，经配置为根据基于姿态旋转矩阵的无穷小转动表达式计算得到姿态误差函数的导数；并使用叉乘运算和迹运算的性质，化简姿态误差函数的导数，并导出3维姿态误差向量；

所述约束部分，经配置为根据设定的控制性能要求，对所述姿态误差向量中的每个分量进行不等式约束；

所述转化部分，经配置为利用SO(3)上的平移不变度量将所述对姿态误差向量中每个分量的不等式约束上界转化为对被控刚体在所述控制性能要求下的姿态误差边界，即控制性能边界。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算设备，所述计算设备包括：通信接口，存储器和处理器；各个组件通过总线系统耦合在一起；其中，