علوم و فناوری فضایی

علوم و فناوری فضایی

کنترل بهینة یک فضاپیمایالاستیک در انجام مأموریت مجاورتی با استفاده از روش معادلة ریکاتی وابسته به حالت

نویسندگان
1 دانشکدة مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
2 پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران
چکیده
این مقاله، به طراحی کنترلر مناسب برای فضاپیمایی با سازة الاستیک‌، در انجام مأموریت‌های مجاورتی اختصاص دارد‌. هدف آن است که فضاپیمای تعقیب‌کننده‌، خود را به فاصلة نسبی مشخصی از هدف برساند و سپس در شرایطی که وضعیت آنها با یکدیگر هماهنگ باشد‌، درگاه ارتباطی خود را بر درگاه ارتباطی هدف منطبق سازد‌. اجرای فرآیند ذکر شده اغلب مستلزم مانورهای بزرگ‌، سریع و دقیق موقعیت و وضعیت است که ارتعاشات بخش‌های انعطاف‌پذیر فضاپیما را نیز به‌همراه خواهد داشت‌. همچنین وجود عواملی چون اغتشاش خارجی‌، اشباع عملگر و عدم‌قطعیت در مدل استفاده شده بر چالش‌های پیش رو در راه تحقق این ایده می‌افزاید‌. در چنین شرایطی، بهره‌گیری از یک راهبرد کنترلی غیرخطی و کارا‌، برای انجام موفق سناریوی درنظر گرفته شده ضروری است‌. برای این منظور در این مقاله‌، از روشی در کنترل غیرخطی بهینه با عنوان معادلة ریکاتی وابسته به حالت () استفاده خواهد شد‌. فرمول‌بندی و تنظیم ساده در عین برخورداری از کارایی مناسب و مقاومت قابل‌قبول، از جمله مزایای این شیوه در کنترل همزمان موقعیت‌، وضعیت و حرکات الاستیک سازة فضاپیما در انجام مأموریت‌های مجاورتی است‌. شبیه‌سازی‌های 6 درجه آزادی انجام‌شده عملکرد مطلوب کنترلر را در حضور انعطاف‌پذیری سازه‌، عدم‌قطعیت‌های پارامتریک‌، نامعینی و اشباع ورودی کنترلی و اغتشاشات خارجی اثبات می‌کند‌.    
کلیدواژه‌ها

[1] Tsuda, Y. and Nakasuka, S., “New Attitude Motion Following Control Algorithm for Capturing Tumbling Object in Space,” Acta Astronautica, Vol. 53, No. 112003, pp. 847–861.
[2] Dutta, A. and Tsiotras, P., “Egalitarian Peer-to-Peer Satellite Refueling Strategy,” Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 45, No. 3, 2008, pp. 608–618.
[3] Matsumoto, S. and et al., “Satellite Capturing Strategy Using Agile Orbital Servicing Vehicle, Hyper-OSV,”Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics & Automation, Washington DC, USA, 2002,pp. 2309–2314.
[4] Oda, M., Kawano, S., Kibe, K. and Yamagata, F., “ETS-7, A Rendezvous Docking and Space Robot Technology Experiment Satellite Result of the Engineering Model Development Work,” Proceedings of the 34th SICE Annual Conference, Hokkaido, Japan, 1995, pp. 1627–1632.
[5] Kasai, T., Oda, M. and Suzuki, T., “Results of the ETS-7 Mission-Rendezvous Docking and Space Robotics Experiment,” Proceedings of the 5th International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space, ESTEC/ESA, Nordwijk, Netherlands, 1999, pp. 299–306.
[6] Whelan, D. A., Adler, E. A., Wilson, S. B. and Roesler, G.M., “DARPA Orbital Express Program: Effecting a Revolution in Space-Based Systems,” Proceedings of the SPIE, San Diego, CA, USA, 2000, pp. 48–56.
[7] Seth, D. P., “Orbital Express: Leading the Way to a New Space Architecture,” Space Core Technology Conference, Colorado Springs, 2002.
[8] Rupp, T., Boge, T., Kiehling, R. and Sellmaier, F., “Flight Dynamics Challenges of the German on Orbit Servicing Mission DEOS,” Proceedings of the 21st International Symposium on Space Flight Dynamics, Toulouse, France, 2009.
[9] Bajodah A. H., “Inertia-Independent Generalized Dynamic Inversion Feedback Control of Spacecraft Attitude Maneuvers,” Acta Astronautica, Vol. 68, No. 11-12, 2011, pp. 1742–1751.
[10] Kim, K. S. and Kim, Y., “Robust Backstepping Control for Slew Maneuver Using Nonlinear Tracking Function,” IEEE Transactions on Control System Technology, Vol. 11, No. 6, 2003, pp. 822-829.
[11] Leeghim, H., Choi, Y. and Bang, H., “Adaptive Attitude Control of Spacecraft Using Neural Networks,” Acta Astronautica, Vol. 64, No. 7-8, 2009, pp. 778–786.
[12] Krishnakumar, K., Rickard, S. and Bartholomew, S.,“Adaptive Neuro-Control for Spacecraft Attitude Control,” Neurocomputing, Vol. 9, No. 2, 1995, pp. 131-148.
[13] Zou, A. M. and Kumar, K. D. “Adaptive Fuzzy Fault-Tolerant Attitude Control of Spacecraft,” Control Engineering Practice, Vol. 19, No. 1, 2011, pp. 10–21.
[14] Ortega, G. and Giron-Sierra, J.M., “Geno-Fuzzy Control in Autonomous Servicing of a Space Station,”Engineering Applications of Artificial Intelligence, Vol.11, No. 3, 1998, pp. 383-400
[15] Lu, K., Xia, Y., Zhu, Z. and Basin, M. V., “Sliding Mode Attitude Tracking of Rigid Spacecraft with Disturbances,” Journal of the Franklin Institute, Vol.349, No. 2, 2012, pp. 413–440.
 [16] Lo, S. C. and Chen, Y. P., “Smooth Sliding Mode Control for Spacecraft Attitude Tracking Maneuvers,”Journal of Guidance, Control and Dynamics, Vol. 18, No. 6, 1995, pp. 1345-1349.
[17] Singla, P., Subbarao, K. and Junkins, J., “Adaptive Output Feedback Control for Spacecraft Rendezvous and Docking Under Measurement Uncertainty,” Journal of Guidance, Control and Dynamic, Vol. 29, No. 4, 2006,pp. 892-902
[18] Gennaro, S. D., “Adaptive Robust Tracking for Flexible Spacecraft in Presence of Disturbances,” Journal of Optimization Theory and Applications, Vol. 98, No. 3, 1998, pp 545-568.
[19] Gennaro, S. D., “Active Vibration Suppression in Flexible Spacecraft Attitude Tracking,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 21, No. 3, 1998, pp. 400-408.
[20] Erdong, J. and Zhaowei, S., “Robust Attitude Tracking Control of Flexible Spacecraft for Achieving Globally Asymptotic Stability,” International Journal of Robust and Nonlinear Control, Vol. 19, No. 11, 2009, pp. 1201-1223.
[21]Cloutier, J. R., D’Souza, C. N. and Mracek, C. P., “Nonlinear Regulation and Nonlinear H∞ Control via the State-Dependent Riccati Equation Technique,” Proceedings of the 1st International Conference on Nonlinear Problems in Aviation and Aerospace, AIAA, Reston, VA, USA, 1996, pp. 117–123.
[22] Stansbery, D. T. and Cloutier, J. R., “Position and Attitude Control of a Spacecraft Using the State Dependent Riccati Equation Technique,” Proceedings of the American Control Conference, Chicago, IL, 2000.
[23] Xin, M., Balakrishnan, S. N., “Robust State Dependent Riccati Equation Based Spacecraft Attitude Control,” 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno,NV, 2002.
[24] Lither, M. D. and Dubowsky, S., “State, Shape and Parameter Estimation of Space Objects from Range Images,” Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Piscataway, NJ, 2004, pp. 2974-2979.
[25] Schaub, H. and Junkins, J. L, Analytical Mechanics of Space Systems, 2nd Edition, AIAA Education Series, Reston, VA, 2009.
[26] Turner, J. D. and Chun, H. M., “Optimal Distributed Control of a Flexible Spacecraft  During a Large-Angle Maneuver,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 7, No. 3, 1984, pp. 257-264.
[27] Cloutier, J. R., Stansbery, D. T., “Nonlinear, Hybrid Bank-to-Turn/Skid-to-Turn Missile  Autopilot Design,”AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, Montreal, Canada, 2001
[28] Cimen T., “State-Dependent Riccati Equation (SDRE) Control: A Survey,” Proceedings of the 17th IFAC World Congress, Seoul, Korea, 2008, pp. 3761–3775.
[29] Laub, A. J., “A Schur Method for Solving Algebraic Riccati Equations,” IEEE Transaction on Automatic Control, Vol. AC-24, No. 6, 1979, pp. 913–921.
[30] Fonseca Neto, J. V., Abreu, I.S. and Silva, F.N.,“Neural–Genetic Synthesis for State-Space Controllers Based on Linear Quadratic Regulator Design for Eigenstructure Assignment,” IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics—Part B: Cybernetics, Vol. 40, No. 2, 2010, pp. 266-285.
[31] Imae, J., Sagami, H., Kobayashi, T. and Zhai, G., “Nonlinear Control Design Method Based on State-Dependent Riccati Equation (SDRE) via Quasi-Newton Method,” 43rd IEEE  Conference on Decision and Control, Bahamas, 2004, pp. 2740-2741
[32] Anderson, B. D. O. and Moore, J. B., Optimal Control:Linear Quadratic Methods, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1990.
[33] Slotine, J. E. and Weiping, L., Applied Nonlinear Control, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey,1991.
[34] Chen, T. and Xu, S., “Double Line-of-Sight Measuring Relative Navigation for Spacecraft Autonomous Rendezvous,” Acta Astronautica, Vol. 67, No. 1-2, 2010, pp. 122–134.
[35] Park, C., Guibout, V. and Scheeres, D. J., “Solving Optimal Continuous Thrust Rendezvous Problems with Generating Functions,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 29, No. 2, 2006, pp. 321-331.
[36] Yang, X., Yu, J. and Gao, H., “An Impulse Control Approach to Spacecraft Autonomous Rendezvous Based on Genetic Algorithms,” Neurocomputing, Vol. 77, No. 1, 2012, pp. 189–196.

  • تاریخ دریافت 19 مرداد 1394
  • تاریخ بازنگری 26 بهمن 1399
  • تاریخ پذیرش 31 فروردین 1395
  • تاریخ اولین انتشار 31 فروردین 1395