کنترل پیش‌بین مدل برای حرکت نسبی وضعی-انتقالی فضاپیما با استفاده از مدل کواترنیون دوگانه

چینی فروشان, محمد; پورتاکدوست, سید حسین; عابدی, محسن

doi:10.22034/jsst.2025.1570

کنترل پیش‌بین مدل برای حرکت نسبی وضعی-انتقالی فضاپیما با استفاده از مدل کواترنیون دوگانه

نوع مقاله : مقالة‌ پژوهشی‌

نویسندگان

محمد چینی فروشان ¹

سید حسین پورتاکدوست ²

محسن عابدی ³

¹ دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

² دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

³ پژوهشکده تحقیقات فضایی، پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایر ان

10.22034/jsst.2025.1570

چکیده

مدل‌سازی یکپارچه حرکت نسبی وضعی-انتقالی فضاپیما، موضوعی نوظهور و مورد توجه برای طراحی، تحلیل و کنترل سیستم‌های فضایی چندعاملی است. کواترنیون دوگانه یک راه‌حل رضایت‌بخش برای این مسئله پیچیده است. از سوی دیگر، کنترل پیش‌بین مدل (MPC) یک روش کنترل قدرتمند مدل-مبنا با برتری‌های شناخته‌شده نسبت به سایر رویکردهای کنترل مدرن مورد استفاده در زمینه کنترل فضاپیما است. تعبیه مدل کواترنیون دوگانه در رویکرد MPC برای سیستم‌های پیچیده، یک چارچوب کنترلی ارزشمند را به دست می‌دهد. با این حال، این انگاره مشتمل بر برخی دشواری‌هاست که لازم است برای آن‌ها غلبه شود. این موضوع در پژوهش حاضر، مورد بررسی دقیق قرار گرفته است. برای این منظور، ابتدا مفهوم کواترنیون دوگانه و ابزارهای مربوطه بررسی می‌شوند. متعاقباً، فصل مشترک‌های بالقوه بین روابط کواترنیون دوگانه و چارچوب MPC برجسته می‌شوند. بر این اساس، یک روش MPC تکه‌ای-همگر مبتنی بر مدل کواترنیون دوگانه برای یک مأموریت کنترل نسبی وضعی-انتقالی فضایی که چرخ‌های عکس‌العملی را به عنوان عملگرهای وضعی دربرداشته و در عین حال مشتمل بر یک عملگر ایده‌آل برای حرکت انتقالی است، معرفی و توسعه داده می‌شود. اثربخشی روش یکپارچه پیشنهادی با شبیه‌سازی ارزیابی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

کواترنیون دوگانه

سامانه فضایی چندعاملی

حرکت وضعی-انتقالی فضاپیما

حرکت نسبی فضاپیما

کنترل پیش‌بین مدل

موضوعات

طراحی زیرمجموعه‌های فضایی: (هدایت، کنترل، سازه و...)

[1] X. Guo, C. Wang, and L. Liu, “Adaptive fault-tolerant control for a class of nonlinear multi-agent systems with multiple unknown time-varying control directions,” Automatica, vol. 167, 2024, Art. no. 111802, https://doi.org/10.1016/j.automatica.2024.111802.

[2] R. Kinzie, R. Bevilacqua, D. Seo, J. W. Conklin, and P. J. Wass, “Dual quaternion-based dynamics and control for gravity recovery missions,” Acta Astronautica, vol. 213, pp. 764-776, 2023, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.10.007.

[3] M. Nazari, E. A. Butcher, T. Yucelen, and A. K. Sanyal, “Decentralized consensus control of a rigid-body spacecraft formation with communication delay,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 39, no. 4, pp. 838-851, 2016, https://doi.org/10.2514/1.G001396.

[4] D. Condurache, “On six DOF relative orbital motion of satellites,” in Space Flight, G. Dekoulis, Ed. InTecOpen, 2018, pp. 79-100, https://doi.org/10.5772/intechopen.73563.

[5] L. Sun and Z. Zheng, “Adaptive relative pose control of spacecraft with model couplings and uncertainties,” Acta Astronautica, vol. 143, pp. 29-36, 2018, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.11.006.

[6] S. V. Rakovi´c and W. S. Levine, Handbook of Model Predictive Control, Birkhauser, 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-319-77489-3.

[7] U. Lee and M. Mesbahi, “Constrained autonomous precision landing via dual quaternions and model predictive control,” Journal of Guidance, control, and Dynamics, vol. 40, no. 2, p. 292–308, 2017, https://doi.org/10.2514/1.G001879.

[8] Q. Hu, H. Yang, H. Dong, And X. Zhao, “Learning-based 6-DOF control for autonomous proximity operations under motion constraints,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 57, no. 6, pp. 4097-4109, 2021, https://doi.org/10.1109/TAES.2021.3094628.

[9] Q. Dang, H. Gui, and H. Wen, “Dual-quaternion-based spacecraft pose tracking with a global exponential velocity observer,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, vol. 42, no. 9, pp. 2106-2115, 2019, https://doi.org/10.2514/1.G004302.

[10] E. Gallo, “The SO(3) and SE(3) Lie Algebras of Rigid Body Rotations and Motions and their Application to Discrete Integration, Gradient Descent Optimization, and State Estimation,” Universidad Politécnica de Madrid, 2023, https://doi.org/10.48550/arXiv.2205.12572.

[11] S. A. Khan, Z. Tao, S. Fahad, M. Salman, M. Tahir, and A. Ali, “Reliable attitude control integrating reaction wheels and embedded asymmetric magnetorquers for detumbling CubeSats,” Advances in Space Research, vol. 74, no. 11, pp. 5906-5922, 2024, https://doi.org/10.1016/j.asr.2024.08.056.

[12] G. Avanzini, E. d. Angelis, F. Giulietti, and N. Serrano, “Attitude control of Low Earth Orbit satellites by reaction wheels and magnetic torquers,” Acta Astronautica, vol. 160, pp. 625-634, 2019, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.03.013.

[13] E. F. Camacho, C. Bordons, and J. M. Maestre, Model Predictive Control, 2^nd ed. Springer, 2007, https://doi.org/10.1007/978-0-85729-398-5.

[14] D. Xu, S.  Damsma, and M. Lazar, “On the steady‑state behavior of finite‑control‑set MPC with an application to high‑precision power amplifiers,” in European Control Conference (ECC 2022), London, UK, 2022, https://doi.org/10.23919/ECC55457.2022.9838191.