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欠驱动航天器相对运动中的姿轨耦合控制

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简介：
本研究聚焦于欠驱动航天器在相对运动过程中姿态与轨道之间的相互影响，探讨了有效的姿轨耦合控制策略，以实现系统的稳定性和任务灵活性。 针对欠驱动的非对称航天器设计了六自由度相对运动的姿轨耦合控制器。首先建立了用对偶四元数描述的六自由度相对运动模型；然后基于矩阵广义逆和空控制向量提出了滑模控制器，实现了姿态欠驱动控制的渐近稳定；最后考虑到姿态与轨道之间的相互作用特性，通过高斯伪谱法和非线性规划得到了能量最省的轨迹，并利用滑模变结构控制对该轨迹进行跟踪。仿真结果表明所提出的方法是有效且可行的，并且相比其他方法消耗的能量更少。

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  • 欠驱动航天器相对运动中的姿轨耦合控制
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    本研究聚焦于欠驱动航天器在相对运动过程中姿态与轨道之间的相互影响，探讨了有效的姿轨耦合控制策略，以实现系统的稳定性和任务灵活性。 针对欠驱动的非对称航天器设计了六自由度相对运动的姿轨耦合控制器。首先建立了用对偶四元数描述的六自由度相对运动模型；然后基于矩阵广义逆和空控制向量提出了滑模控制器，实现了姿态欠驱动控制的渐近稳定；最后考虑到姿态与轨道之间的相互作用特性，通过高斯伪谱法和非线性规划得到了能量最省的轨迹，并利用滑模变结构控制对该轨迹进行跟踪。仿真结果表明所提出的方法是有效且可行的，并且相比其他方法消耗的能量更少。
     
  • 基于对偶四元数的航天器姿轨耦合动力学模型
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    本研究建立了一种基于对偶四元数描述姿态和轨道运动相互影响的航天器姿轨耦合动力学模型，旨在精确分析和预测航天器在复杂环境中的动态行为。 我自行编写了一个基于对偶四元数的航天器姿轨耦合动力学模型，并参考了《航天器姿轨一体化动力学与控制技术》一书中第三章的内容。该模型采用Simulink的S函数实现，目前仅完成了动力学建模部分，外力和外力矩包括重力及梯度力矩。有兴趣的研究者可以自行添加控制力与控制力矩，并欢迎交流与批评指正。 对偶四元数虽然初学者难以理解，但可以通过以下方式简化概念：一个刚体可以用一个八维向量表示，前四个分量是传统的四元数（q0,q1,q2,q3），后四个分量是由平移向量的位置四元数（0,rx,ry,rz）与姿态四元数（q0,q1,q2,q3）的乘积。通过这种方式，一个八维向量能够同时表示刚体的姿态和位置信息。
     
  • 在扰动下的航天器姿态与轨道控制：Attitude-Orbit Conjunction
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    《在扰动下的航天器姿态与轨道控制：Attitude-Orbit Conjunction》一书探讨了复杂空间环境中航天器的姿态和轨道协调控制策略，尤其关注外部干扰对系统稳定性的影响及应对措施。 这项工作是关于在剧烈扰动和扭矩下进行姿态和轨道控制的航天器系统控制研究生讲座项目。所有这些项目的控制系统均采用PID（比例-积分-微分）控制器。（线性） 该项目完成了三个模拟实验： 1. 在没有外部干扰的情况下，首先进行了转矩的模拟。 2. 模拟了有扭矩和扰动的情况下的姿态变化。 3. 进行了大扭矩情况下的仿真，并同时考虑了干扰梯度和外部干扰的影响。
     
  • 航天器姿态的动力学与控制
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    《航天器姿态的动力学与控制》一书专注于研究空间飞行器的姿态运动规律及操控技术，涵盖理论建模、分析方法和应用实践等多方面内容。 《航天器的姿态动力学与控制》是由[美] Vladimir A. Chobotov于1992年撰写的经典著作，深入探讨了航天器在太空中的运动规律和控制策略。这本书是航天工程领域的重要参考资料，涵盖了航天器姿态动力学的基本理论、计算方法以及实际应用。 1. **航天器姿态动力学基础**：这部分内容主要讲解航天器在三维空间中的运动特性，包括角速度、角动量和姿态坐标系的选择（如四元数、欧拉角度等）。它还涉及牛顿第二定律在航天器动力学中的应用，以及引力、推力、摩擦力和其他外力对航天器姿态的影响。 2. **陀螺效应与动力学稳定性**：书中详细介绍了陀螺理论，阐述了航天器中陀螺的性质和作用，以及如何利用陀螺效应来稳定航天器的姿态。此外，还讨论了航天器动力学稳定性分析的方法，如Lyapunov稳定性理论。 3. **控制系统设计**：作者探讨了航天器姿态控制系统的各种设计方法，包括PID控制器、滑模控制、自适应控制等，并分析了不同控制策略的优缺点。同时，还讨论了传感器（如星敏感器、太阳敏感器）和执行机构（如飞轮、喷气推力器）在姿态控制中的作用。 4. **数值模拟与仿真**：书中涵盖了解决航天器动力学问题的数值方法，如欧拉法、龙格-库塔法等，以及如何通过计算机仿真来验证控制策略的有效性。 5. **实际应用与案例研究**：作者通过具体的航天任务案例，如地球观测、通信卫星、深空探测器等，展示了姿态动力学与控制理论在实际工程中的应用，让读者能更好地理解和掌握这些理论。 6. **最新发展与未来趋势**：尽管该书出版于1992年，但Chobotov教授可能也触及了当时的技术前沿，如微型航天器的控制、自主导航和自主控制技术等，这些对于理解当今航天技术的发展至关重要。 7. **阅读与学习建议**：对于想深入理解航天器姿态动力学与控制的读者，除了阅读原著外，还应结合实际的航天器数据和现代控制理论进行学习，以提升理论与实践相结合的能力。 《航天器的姿态动力学与控制》为航天工程师、科研人员和学生提供了一套全面的理论框架和实用工具，是理解并解决航天器姿态控制问题的重要读物。通过深入学习，读者可以掌握航天器在复杂太空环境下的运动规律，并设计出更高效、可靠的控制系统。
     
  • trackkeeping.rar_欠驱动船舶_航迹控制_基于MATLAB的船舶航迹轨迹跟踪
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    本资源为一款针对欠驱动船舶设计的航迹控制系统，采用MATLAB进行开发与仿真。系统旨在实现复杂海况下的精确路径追踪，适用于学术研究和工程应用。 船舶航迹控制属于典型的欠驱动控制问题，在这一领域内，“轨迹跟踪”是一个关键的研究方向。
     
  • MATLAB航天姿态控制仿真程序_Simulink动力学_航天器控制_attitude kinematic_动力学代码优化
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    本项目提供基于MATLAB和Simulink的航天器姿态控制系统仿真程序，涵盖姿态动力学及运动学模型。通过此工具，可进行航天器姿态控制算法的设计与测试，并对动力学代码进行优化以提高仿真效率。 航天器姿态控制仿真程序使用Simulink中的S-Function方法建立航天器的姿态动力学模型和运动学模型，并通过Linmod对非线性模型进行线性化处理。
     
  • 基于模型预测控制的欠驱动水面舰艇轨迹追踪控制器
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    本研究提出了一种基于模型预测控制（MPC）的方法，用于设计欠驱动水面舰艇的轨迹跟踪控制器。通过优化算法实时调整航行路径，确保舰艇高效准确地遵循预定路线，适用于复杂海况下的自主导航任务。 基于模型预测控制的欠驱动水面舰艇轨迹跟踪控制器设计了一种用于提升欠驱动水面舰艇性能的方法，该方法利用了模型预测控制技术来实现精确的轨迹跟踪。这种方法能够有效解决传统控制系统在面对复杂动态环境时遇到的问题，提高系统的响应速度和稳定性。
     
  • 低推力相对轨道轨迹优化：计算相对轨道运动优化控制输入的MATLAB程序
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    本工作提出了一种用于计算低推力下航天器相对轨道轨迹优化的MATLAB程序，旨在精确模拟和优化多体系统中的微小推进控制策略。 这段文字描述了一个使用HCW模型来优化共面相对运动的控制输入轨迹的程序，并且该程序利用bvp4c求解器来解决结果状态方程。
     
  • 关于一类欠驱动系统解耦滑模控制的研究（2012年）
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    本研究探讨了一类欠驱动系统的解耦滑模控制策略，旨在通过理论分析与仿真验证提出有效的控制方法，以改善该类系统的性能和稳定性。文章发表于2012年。 针对一类欠驱动系统的稳定控制问题,提出了一种解耦滑模控制器的设计方法。首先将整个系统划分为两个子系统，并为每个子系统设计了相应的滑动面。接着，利用其中一个子系统的滑动面的反正切函数来构造一个中间变量，然后把这个变量引入到另一个子系统的滑动面上，进而构建出整个系统的统一滑动面。最后通过等效控制法求得该滑动面上的等效控制量，并结合李雅普诺夫稳定性定理设计切换控制量，从而得到系统最终的控制输入量。这种方法解决了传统解耦滑模控制系统中稳定性难以保证的问题，同时简化了控制器的设计过程。从理论上分析了系统的各个滑动面和整体性能。
     
  • 基于自适应Backstepping的欠驱动AUV三维轨迹追踪控制
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    本研究提出了一种基于自适应Backstepping方法的欠驱动自主水下车辆(AUV)三维轨迹跟踪控制策略，旨在提升其在复杂海洋环境下的航行性能和稳定性。 为了实现欠驱动自治水下机器人（AUV）的三维航迹跟踪控制，基于非完整系统理论分析了在缺少横向推进器的情况下AUV欠驱动控制系统的特点，并验证了该情况下存在加速度约束不可积性问题。利用李亚普诺夫稳定性理论和自适应Backstepping方法设计了一个连续时变的航迹点跟踪控制器，以减少外界海流对控制效果的影响。通过仿真实验表明，所提出的控制器能够使欠驱动AUV实现对于一系列三维航迹点的渐近稳定，并且该系统的精确性和鲁棒性明显优于传统的PID控制系统。