欠驱航天器六自由度姿轨耦合控制：滑模与能量优化

本文主要探讨了欠驱动非对称航天器在六自由度相对运动中的姿轨耦合控制问题。研究者针对这类特殊的航天器类型，提出了一个新颖的控制策略，旨在优化其在太空中的姿态和轨道控制。 首先，作者构建了一个基于对偶四元数的六自由度相对运动模型，这是一种高效、精确的数学工具，能够全面描述航天器在空间中的复杂运动特性。对偶四元数不仅可以表示旋转，还能处理姿态和位置的变化，使得运动建模更为简洁和直观。 接下来，为了实现相对姿态的欠驱动控制并确保其渐近稳定性，研究人员采用了矩阵广义逆和空控制向量的组合，构建了一种广义的滑模控制器。滑模控制技术因其对系统不确定性具有鲁棒性，以及对系统状态的快速跟踪能力，在航天器控制中得到了广泛应用。通过这种控制器，航天器能够在存在不确定性和外部干扰的情况下，保持稳定的姿态控制。 姿轨耦合是航天器控制中的关键挑战，因为姿态和轨道的相互影响会影响系统的整体性能。文中利用高斯伪谱法和非线性规划技术，寻求出使相对轨道运动能量消耗最小的最优轨迹。高斯伪谱法是一种数值积分方法，适用于求解复杂的非线性规划问题，而非线性规划则能够找到满足特定约束条件下的最优解。 最后，提出的控制策略将滑模变结构控制应用于寻找的最优轨迹跟踪上，实现了姿态和轨道的协同控制，从而提高了整个系统的效率和稳定性。仿真结果证实了这种方法的有效性和可行性，相较于传统方法，它在能量消耗方面具有显著的优势。 总结来说，本文的研究为欠驱动航天器的姿轨耦合控制提供了一种创新的解决方案，通过结合对偶四元数、广义逆、滑模变结构控制以及优化算法，成功地实现了航天器在复杂空间环境中的高效、稳定的运动控制。这对于提高航天器的能效、减少燃料消耗以及保证任务执行的可靠性具有重要的实际意义。