空间控制技术与应用

Select 机理与数据融合的航天器控制系统数字孪生建模方法

宁之成, 刘潇翔, 王淑一

2022, 48(2): 1-7. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.001

摘要 ( 201 )

PDF (2944KB) ( 380 )

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针对航天器空间运行环境复杂、地面建模存在未知误差的工程实际问题，依据数字孪生思想，提出一种将机理与数据融合进行航天器控制系统建模的方法.基于详细机理模型，通过LSTM网络挖掘地面测试数据、在轨遥测数据中的信息，对机理模型与物理实体的偏差进行数据驱动建模，综合获得高精度的系统级及部件级模型.对航天器控制系统典型部件的仿真结果表明，该建模方法构建的模型能够对多维度特性进行更精准地刻画，有效提升控制系统建模精度，为航天器控制系统在轨精准性能评估和智能健康管理奠定重要基础.

Select 含有动力学模型误差的星间测量定轨系统能观性分析

周博超, 李勇

2022, 48(2): 8-17. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.002

摘要 ( 63 )

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对于基于星间位置矢量测量的双星系统自主定轨问题，当动力学模型中存在误差时，一个解决途径是将模型误差与运动状态共同构成扩增状态后一同估计.为保证滤波的稳定，就必须对此扩增系统的能观性进行分析.基于非线性系统的局部弱能观性理论，分析并给出了扩增系统中卫星运动状态、动力学模型误差均能观的充要条件，最后通过仿真算例进行了验证.仿真结果显示，当建模误差为常值或慢时变时，采用扩展卡尔曼滤波算法对增广系统的状态估计是有效的.

Select 多视角视觉目标生成的空间机器人操作学习

李林峰, 王勇, 解永春, 胡勇, 陈奥

2022, 48(2): 18-28. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.003

摘要 ( 91 )

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空间机器人操作一般采用多视角相机为机械臂提供视觉信息引导，全局相机引导远距离的前段操作，局部相机引导近距离的末端精细操作.针对多视角视觉信息融合与利用的自主性不足问题，提出一种多视角视觉目标生成的新方法，采用分层策略架构，将图像输入映射到SE(3)空间上，形成多视角视觉目标，并根据相对误差建立多视角目标决策机制.地面试验结果表明，该方法能够快速响应(>30 fps)多类不同尺度的操作对象，并对静态、动态遮挡具有较强鲁棒性，具备执行视触融合、长序列复杂操作任务的能力.

Select 基于建模优化的连续体机器人轨迹跟踪及扰动抑制策略研究

朱雨琪, 向国菲, 马丛俊, 游星星, 佃松宜

2022, 48(2): 29-38. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.004

摘要 ( 59 )

PDF (3356KB) ( 84 )

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连续体机器人结构复杂，自由度高，难以进行精确建模和运动控制，为解决该问题，提出了一种改进的建模优化方法和基于降阶线性扩张状态观测器的线性自抗扰控制策略.首先在分段常曲率假设下提出一组改进状态参数，以解决连续体机器人直立状态的运动奇异问题，并基于此建立机器人的运动学和动力学模型.接着设计了降阶线性扩张状态观测器来观测并补偿未精确建模系统的内外扰动，降低了观测器的峰值现象.然后通过设计线性反馈控制律构成整体自抗扰控制回路.基于Lyapunov理论给出了观测器收敛性证明.最后设计了一个仿真实验与传统的滑模控制进行比较，结果表明本文提出的方法能够实现连续体机器人的轨迹跟踪，且具有更强的鲁棒性和扰动抑制能力.

Select 混合推进航天器行星悬浮轨道附近编队构型保持研究

赵磊, 袁长清, 龚胜平, 贺京九

2022, 48(2): 39-46. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.005

摘要 ( 64 )

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针对库仑力—太阳帆混合推进的航天器在行星悬浮轨道附近编队保持控制问题进行了研究.首先，建立了在行星悬浮轨道附近的航天器编队动力学模型，然后对模型进行线性化处理，推导出航天器编队相对运动方程.设计积分滑模编队飞行控制器，通过调节太阳光压力及星间库仑力对编队构型进行保持控制，具有响应速度快和对系统模型依赖小的特点.数值仿真表明存在扰动的情况下，该控制方法能实现行星悬浮轨道附近编队保持控制.

Select 考虑状态约束的绳系组合体欠驱动控制

郭新程, 孟中杰, 鲁迎波

2022, 48(2): 47-53. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.006

摘要 ( 46 )

PDF (2985KB) ( 71 )

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针对空间绳系机器人抓捕失稳目标后组合体稳定控制问题，提出一种考虑状态约束的欠驱动控制方法.在建立绳系系统动力学模型的基础上，设计辅助函数保证状态约束，基于能量法的控制框架设计欠驱动稳定控制器.从数学上证明了系统状态满足约束、稳定且能收敛到期望值.对设计的控制器进行仿真验证，并与传统分层滑模控制器进行对比.仿真结果表明本文控制方法的优越性，组合体姿态角变化范围更小，收敛时间更短，控制精度更高.

Select 基于特征模型的挠性航天器接触消旋控制

李超, 何英姿, 胡勇

2022, 48(2): 54-61. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.007

摘要 ( 68 )

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高价值失效卫星是在轨服务的重点目标，一般具有大的挠性和剩余角动量.直接采用机械臂抓捕目标具有碰撞风险.如果预先采用接触式消旋衰减目标角速度，会极大提高服务卫星抓捕目标的成功率.针对含有挠性振动的非合作失效卫星接触消旋控制问题，提出一种基于特征模型的挠性振动抑制方法.基于消旋动力学方程建立挠性振动角速度的特征模型，设计基于特征模型的自适应挠性振动抑制器进行数值仿真，验证了该方法对挠性振动抑制的有效性.

Select 面向空间飞行器的文件系统需求层验证

李少峰, 杨孟飞, 乔磊, 姜菁菁, 王婷煜

2022, 48(2): 62-70. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.008

摘要 ( 59 )

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由于系统资源的有限性，目前空间飞行器中的嵌入式操作系统并没有文件系统模块.系统任务通过直接调用I/O接口，完成外部存储设备的读与写.但是，随着空间飞行任务复杂化，数据大量涌现，空间嵌入式操作系统需要文件系统来完成数据处理，因此安全可靠的文件系统的开发是空间嵌入式操作系统亟待解决的问题.空间嵌入式操作系统是典型的安全关键的系统，集成在系统中的每一个模块都需要经过严格的测试，保证其不会在运行期间产生故障.采用形式化验证的技术可以从数学上严格保证验证对象的正确性.因此，本文采用形式化技术，针对面向空间飞行器文件系统的需求，验证其内部逻辑的正确性.

Select 磁悬浮旋转关节建模及解耦控制方法研究

赵同爽, 张激扬, 王英广, 樊亚洪, 罗睿智

2022, 48(2): 71-79. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.009

摘要 ( 68 )

PDF (2698KB) ( 168 )

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针对洛伦兹力磁悬浮旋转关节的高精度控制问题，进行旋转关节的精细建模，并提出平动-转动解耦控制及其优化方法，提升了系统的稳定性和控制性能.根据转子动力学建立旋转关节动力学模型，并根据线性时变系统的能控性秩判据判定系统完全能控.设计解耦控制器，并通过增加相位补偿器完成控制器优化，使系统闭环主导极点左移.通过仿真分析和实验验证，对比控制系统在控制器优化前和优化后的性能变化.结果表明：提出的解耦控制优化方法可有效提升磁悬浮旋转关节控制系统的稳定性和动态性能，系统调节时间缩短50%，超调量降低12%，优化效果明显.

Select 引入DDC迁移学习算法的卫星ACS系统故障定位技术

王泽, 程月华, 宫江雷, 郭小红, 何漫丽

2022, 48(2): 80-88. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.010

摘要 ( 53 )

PDF (4799KB) ( 77 )

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基于数据的故障诊断方法凭借其优秀的工程适用性，已成为当前故障诊断领域的重点研究方向；但其算法模型的训练一般需要充足的样本数据，因此难以解决故障样本缺少的诊断问题.针对目标卫星无故障样本情况下的卫星姿态控制系统(ACS)故障诊断问题，提出一种基于DDC(deep domain confusion)迁移学习算法改进的故障定位技术.通过长短期记忆-自编码器(LSTM-AE)网络对标称卫星姿态信息重构并计算残差，再对其进行特征提取以训练 BP 网络故障定位分类器；同时引入 DDC 迁移学习算法，于分类器网络中添加域适应层并修改损失函数，学习目标卫星的健康和故障特征知识进而改进算法模型.最后通过三轴气浮台半物理仿真平台，验证了引入DDC迁移学习改进的故障定位技术的有效性.

Select 基于跟踪微分器的步进电机自适应速度曲线设计

张航宁, 李文新, 梁绪

2022, 48(2): 88-95. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.011

摘要 ( 57 )

PDF (3975KB) ( 43 )

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为了使步进电机尽可能快地达到额定转速或目标角度且避免失步，需要针对性地设计加减速曲线，如梯形、S形等.传统的固定设计速度曲线的方法只适合步进电机的目标位置、方向、初始速度、最大限制速度和加速度等参数已经事先确定并在电机达到目标位置之前不再改动的情况，而在步进电机的很多应用中需要在电机工作时临时修改运行参数，或有初始速度不能事先确定的情况，此时就需要实时对已经设计完成的速度曲线进行修正，算法较为复杂.使用自抗扰控制理论中的跟踪微分器方法，解决了上述需要频繁修改速度曲线的问题，优化了算法复杂度，减小了计算量，并在STM32微控制器上对算法进行了验证，在以步进电机作为关节驱动的机械臂控制中得到了实际应用.

Select 一种基于阻抗控制的机械臂双轴孔插孔柔顺控制方法研究

李歆雨, 张强, 文闻, 周晓东, 李晓辉

2022, 48(2): 96-102. doi:10.3969/j.issn.1674 1579.2022.02.012

摘要 ( 89 )

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针对空间机械臂在轨加注过程中将加注主动端同时插入双组元推进剂加注口的需求，提出了一种机械臂的柔顺控制方法，该方法可满足插孔控制过程中，同一零件上两相对独立的结构部分同时进入两个孔径的需求.首先对双轴孔的插孔过程和接触状态进行分析，提出了最优插孔参考轨迹，而后设计了一种基于阻抗控制的柔顺控制器，在接触力反馈的作用下实现了插孔过程柔顺的自主配合，最后在仿真环境下建立仿真实验模型验证双轴孔插孔控制器的应用效果.本文提出的柔顺控制方法满足在轨加注、在轨装配等需要同时实现双轴孔配合的空间操作要求，适应于空间在轨服务机械臂遥操作以及智能化操作技术的发展需求.