用系绳进行空间捕捉的最优控制研究

论文摘要

本文研究了空间绳系系统的空间交会捕捉问题。研究过程中引入系绳弹性,运用Lagrange方程建立了绳系系统的非线性运动微分方程,给出了进行交会机动时其可行点的求解过程,采用高斯伪谱算法对交会机动的非线性最优控制问题进行计算,并通过状态反馈实现了对捕捉机构的精确控制。当空间负载系统和绳系系统的相对轨道倾角为0.5o、1.0o、1.5o时,从其空间可行点的分布图中,可知可行点多处于两轨道的交界处。当绳系系统轨道与负载轨道的相对倾角发生变化时,根据相应的交会条件,交会可行点位置及其个数发生变化。由于系绳长度上的约束,当相对轨道倾角增加时,交会可行点的数目随之减少。以系绳张力和捕捉器上的推进力为输入控制量,采用高斯伪谱算法对交会机动的非线性最优控制问题进行计算。当给定初始释放条件时,捕捉机构呈“8”字形运动至交会可行点;以初始释放条件作为待优化参数时,捕捉机构的运动轨迹相对来说比较复杂,且面外控制力的时间历程呈现锯齿形状,不易于实现;引入系绳长度及速率反馈后,数值积分结果与非线性优化直接解高度重合。仿真数值结果表明,捕捉机构的运动轨迹比较光滑,合乎实际的绳系释放过程,且较好的达到交会可行点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 空间绳系捕捉系统概述
• 1.2 空间绳系捕捉系统的历史及发展
• 1.2.1 空间绳系捕捉系统的早期研究
• 1.2.2 空间绳系捕捉系统的近期研究
• 1.2.3 空间绳系系统的研究现状
• 1.3 空间绳系捕捉系统的优点
• 1.4 本课题的研究内容及意义
• 第2章 空间绳系捕捉系统的建模
• 2.1 空间绳系捕捉系统的运行模式
• 2.2 空间绳系捕捉系统的前提假设
• 2.3 空间绳系捕捉系统的动力学方程
• 2.3.1 坐标系的确定
• 2.3.2 空间绳系捕捉系统的动能
• 2.3.3 空间绳系捕捉系统的势能
• 2.3.4 空间绳系捕捉系统的动力学方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 空间绳系捕捉系统的交会可行点
• 3.1 交会可行点模型的建立
• 3.2 交会可行点的选择
• 3.3 本章小结
• 第4章 最优控制方法
• 4.1 问题的表达
• 4.2 高斯伪谱算法
• 4.2.1 连续Bolza 问题的Gauss 伪谱离散法
• 4.2.2 非线性规划问题的KKT 条件
• 4.2.3 连续Bolza 问题的一阶最优化条件
• 4.2.4 Gauss 伪谱离散化的必要条件
• 4.2.5 协态估计
• 4.2.6 边界控制量的计算
• 4.3 本章小结
• 第5章 交会最优控制的算例研究
• 5.1 初始释放条件的优化控制
• 5.1.1 初始释放条件固定的优化控制
• 5.1.2 积分验证
• 5.1.3 初始释放条件的优化控制
• 5.2 含参数反馈的优化控制
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结
• 6.1 本文的主要工作
• 6.2 未来工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文