航天器姿态控制：抗退绕与输入饱和约束策略

"考虑有界干扰和输入饱和的航天器姿态抗退绕机动控制，该研究涉及航天器控制领域的关键问题，包括输入饱和、姿态控制、有界干扰和抗退绕策略。文章通过李雅普诺夫稳定性理论设计了一种时变滑模控制算法，解决无干扰情况下的输入饱和问题，并通过切换机制融合时变与时不变滑模控制律，以应对输入饱和和有界干扰。此外，针对四元数双值性引发的系统退绕问题，研究者提出了一种新的姿态偏差向量，改进后的四元数控制律具备抗退绕特性。仿真结果证明了所提算法的有效性和可行性。" 本文着重探讨了在航天器姿态机动控制中，如何处理有界干扰和输入饱和的挑战。首先，作者运用李雅普诺夫稳定性理论，构建了一种新型的抗输入饱和的时变滑模控制器。这个控制器在没有外部干扰的情况下，能够有效地处理输入饱和问题，即控制器的输出不会超出执行机构的能力范围。 其次，为了增强控制器对有界干扰的鲁棒性，研究者引入了时变和时不变滑模控制律的切换机制。这种切换策略旨在结合两种滑模控制的优势，既能确保输入饱和约束得到满足，又能抵御各种未知干扰的影响，从而提高整个控制系统的稳定性和性能。 针对四元数表示姿态时可能出现的退绕现象，即由于四元数的双值性导致的系统状态非连续变化，作者分析了两种常见的姿态偏差向量，并结合它们的特性设计出一种新的偏差向量。这个创新的姿态偏差向量有助于改善基于四元数的控制律，使其具备抗退绕的特性，从而避免因四元数双值性导致的控制误差积累。 通过多情境的仿真对比，作者验证了所提出的控制算法在实际应用中的有效性和实用性。这些仿真结果表明，无论是在有界干扰存在还是输入饱和的条件下，该算法都能成功地实现航天器的姿态控制，并有效抵抗退绕问题，提高了控制精度和系统的整体稳定性。 这项研究为航天器姿态控制提供了新的解决方案，特别是在面临输入饱和和有界干扰等复杂环境时，提出的抗退绕控制策略对实际的航天任务具有重要的理论和实践意义。