A flatness-based predictive controller for six-degrees of freedom spacecraft rendezvous
作者: Julio C. Sanchez, Francisco Gavilan, Rafael Vazquez, Christophe Louembet
分类: eess.SY
发布日期: 2025-01-13
期刊: Acta Astronautica, Volume 167, February 2020, Pages 391-403
DOI: 10.1016/j.actaastro.2019.11.026
💡 一句话要点
提出基于平坦性的预测控制算法，用于六自由度航天器交会对接
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 航天器交会对接 六自由度控制 平坦性 模型预测控制 燃料优化
📋 核心要点
- 现有航天器交会对接方法在燃料优化、操作约束和扰动抑制方面存在挑战。
- 利用相对平动状态转移矩阵和姿态平坦性，将复杂动力学转化为代数关系，简化控制设计。
- 通过数值实验验证了所提方法的有效性，表明其在燃料效率和鲁棒性方面具有潜力。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种闭环制导算法，用于六自由度航天器与在偏心轨道上飞行的被动目标进行交会对接。主要假设是追踪飞行器具有基于反作用轮的姿态控制系统，该系统提供改变其方向所需的扭矩，而推进器的数量是任意的。目标是设计燃料最优的机动，同时满足操作约束并抑制扰动。所提出的方法如下：首先，使用相对平动状态转移矩阵和姿态平坦性，将耦合的平动和角运动学转换为等效的代数关系。然后，开发一种基于B样条参数化和时间连续约束离散化的直接转录方法，以获得易于处理的静态程序。最后，考虑基于先前计算的解进行线性化的模型预测控制器，以处理扰动。展示并讨论了数值结果。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决六自由度航天器交会对接问题，尤其是在存在操作约束和扰动的情况下，如何实现燃料最优的机动。现有方法可能在处理耦合的平动和角运动学、满足复杂约束以及有效抑制扰动方面存在不足。
核心思路：论文的核心思路是利用系统的平坦性（flatness property），将复杂的非线性动力学系统转化为更易于处理的代数关系。通过这种转化，可以将控制问题转化为一个优化问题，从而更容易找到燃料最优的解决方案。此外，采用模型预测控制（MPC）来处理扰动，保证系统的鲁棒性。
技术框架：整体框架包括以下几个主要步骤：1) 动力学建模：建立航天器相对运动的六自由度动力学模型，包括平动和转动。2) 平坦性转化：利用相对平动状态转移矩阵和姿态平坦性，将耦合的平动和角运动学转换为代数关系。3) 轨迹优化：采用直接转录方法，基于B样条参数化和时间连续约束离散化，将问题转化为静态优化程序。4) 模型预测控制：基于先前计算的优化轨迹，构建线性化的模型预测控制器，用于实时处理扰动。
关键创新：该方法的主要创新在于将平坦性理论与模型预测控制相结合，用于解决六自由度航天器交会对接问题。通过平坦性转化，简化了动力学模型，使得优化问题更易于求解。同时，MPC的使用提高了系统的鲁棒性，使其能够有效应对扰动。
关键设计：关键设计包括：1) B样条参数化：使用B样条来参数化轨迹，从而将无限维的轨迹优化问题转化为有限维的参数优化问题。2) 直接转录方法：采用直接转录方法将连续时间约束离散化，从而将问题转化为静态优化程序。3) 模型预测控制器：设计基于线性化的模型预测控制器，用于实时处理扰动，并保证系统的稳定性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
论文通过数值仿真验证了所提出方法的有效性。结果表明，该方法能够在满足操作约束的条件下，实现燃料最优的交会对接。虽然论文中没有明确给出与其他基线的定量比较，但其核心贡献在于提供了一个可行的、燃料高效的六自由度交会对接控制框架。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于空间碎片清除、卫星在轨服务、行星探测等领域。通过优化交会对接过程，可以显著降低任务的燃料消耗，延长卫星寿命，并提高任务的成功率。此外，该方法还可以推广到其他需要精确控制和燃料效率的航天任务中。
📄 摘要（原文）
This work presents a closed-loop guidance algorithm for six-degrees of freedom spacecraft rendezvous with a passive target flying in an eccentric orbit. The main assumption is that the chaser vehicle has an attitude control system, based on reaction wheels, providing the necessary torque to change its orientation whereas the number of thrusters is arbitrary. The goal is to design fuel optimal maneuvers while satisfying operational constraints and rejecting disturbances. The proposed method is as follows; first, the coupled translational and angular dynamics are transformed to equivalent algebraic relations using the relative translational states transition matrix and the attitude flatness property. Then, a direct transcription method, based on B-splines parameterization and discretization of time continuous constraints, is developed to obtain a tractable static program. Finally, a Model Predictive Controller, based on linearization around the previously computed solution, is considered to handle disturbances. Numerical results are shown and discussed.