基于非线性预测策略的多卫星模拟器编队控制

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随着人类成功步入太空,卫星的应用领域越来越广泛,而多个卫星组成的卫星编队较单个卫星更容易完成复杂的航天任务。在组成卫星编队的系统中就需要考虑到系统的结构特性,即控制器单元、传感元器件、执行机构在空间中独立分布,因此想要在各个单元之间实现控制信息和状态信息的传递,就需要借助无线网络来实现。本文提出一种用于网络化非线性多智能体控制系统的成本函数,该成本函数不仅考虑了智能体之间的协调性能,还考虑了各个单体自身的性能。文中使用气浮台作为被控智能体,设计合适的编队方法,提出了基于数据驱动的预测控制的方案来对编队系统进行控制,主动考虑通信约束,最小化成本函数,并对该控制算法进行了仿真实验验证其控制效果,并使用NCSLab实验平台上对气浮台进行了全物理仿真实验,证实了该方法的有效性。首先对卫星模拟器的构造和运行特点进行了介绍,并通过实验的方式对卫星模拟器的部分参数进行了直接或间接的测量,得到实物数据。借助基础力学和刚体动力学的知识,以实验所用的大理石平台为基础建立起了惯性坐标系和卫星模拟器的体坐标系,对其在实验台上的运动状态进行描述,并介绍了编队理论和预测控制理论相关的基础知识,提出了基于数据驱动的预测控制中所用到的成本函数的概念。其次根据卫星模拟器的物理学特性,以质点平动和刚体转动两种运动方式为基础建立卫星模拟器的运动学和动力学方程,并选取了合适的物理量作为状态变量建立了卫星模拟器的状态空间模型,再对其进行离散化处理,建立了卫星模拟器的非线性模型,设计了参数设计界面。针对控制器特点和编队需要,结合领航跟随者法和虚拟结构法的优势设计了虚拟轨迹法,接着对基于数据驱动的预测控制的控制器进行设计,并根据卫星模拟器的非线性模型的输入输出量,确定了控制器模块的输入输出信号,对控制器的稳定性进行了验证,根据所需设计出辅助控制器模块。然后使用基于数据驱动的预测控制控制器对单个卫星模拟器进行控制,完成了对直线轨迹和正弦曲线轨迹的轨迹跟踪仿真实验,通过实验确定了跟踪不同轨迹的最佳控制器参数。使用所设计的编队方法确定编队队形后,对卫星模拟器进行编队控制跟踪目标轨迹,分别选取直线轨迹和正弦曲线轨迹为目标轨迹,确定编队控制中的最佳控制器参数,并且考虑主动补偿可能存在的网络延迟和数据丢失等造成的数据缺失的影响,验证了该控制器具有较好的控制效果。最后通过NCSLab网络化实验室和气浮台全物理仿真实验平台,使用基于数据驱动的预测控制对卫星模拟器进行了全物理实验,使得卫星模拟器可以稳定快速的跟踪上目标直线轨迹,并且具有较好的抗干扰能力。
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