كنترل بهينه يك فضاپيماي الاستيك در انجام ماموريت مجاورتي با استفاده از روش معادله ريكاتي وابسته به حالت

Optimal Control of a Flexible Spacecraft in a Proximity Operation Using State Dependent Riccati Equation Approach

اين مقاله، به طراحي كنترلر مناسب براي فضاپيمايي با سازه الاستيك‌، در انجام ماموريت‌هاي مجاورتي اختصاص دارد‌. هدف آن است كه فضاپيماي تعقيب‌كننده‌، خود را به فاصله نسبي مشخصي از هدف برساند و سپس در شرايطي كه وضعيت آنها با يكديگر هماهنگ باشد‌، درگاه ارتباطي خود را بر درگاه ارتباطي هدف منطبق سازد‌. اجراي فرآيند ذكر شده اغلب مستلزم مانورهاي بزرگ‌، سريع و دقيق موقعيت و وضعيت است كه ارتعاشات بخش‌هاي انعطاف‌پذير فضاپيما را نيز به‌همراه خواهد داشت‌. همچنين وجود عواملي چون اغتشاش خارجي‌، اشباع عملگر و عدم‌قطعيت در مدل استفاده شده بر چالش‌هاي پيش رو در راه تحقق اين ايده مي‌افزايد‌. در چنين شرايطي، بهره‌گيري از يك راهبرد كنترلي غيرخطي و كارا‌، براي انجام موفق سناريوي درنظر گرفته شده ضروري است‌. براي اين منظور در اين مقاله‌، از روشي در كنترل غيرخطي بهينه با عنوان معادله ريكاتي وابسته به حالت (SDRE) استفاده خواهد شد‌. فرمول‌بندي و تنظيم ساده در عين برخورداري از كارايي مناسب و مقاومت قابل‌قبول، از جمله مزاياي اين شيوه در كنترل همزمان موقعيت‌، وضعيت و حركات الاستيك سازه فضاپيما در انجام ماموريت‌هاي مجاورتي است‌. شبيه‌سازي‌هاي 6 درجه آزادي انجام‌شده عملكرد مطلوب كنترلر را در حضور انعطاف‌پذيري سازه‌، عدم‌قطعيت‌هاي پارامتريك‌، نامعيني و اشباع ورودي كنترلي و اغتشاشات خارجي اثبات مي‌كند‌.

This paper presents a suitable technique for nonlinear control of a flexible spacecraft in proximity operations. To do proximity operations well, the pursuer spacecraft must place itself in a pre specified location relative to target and align its docking port to target’s docking port while keeping their attitude compatible. This procedure usually needs large, fast and accurate manoeuvres which can cause flexible structure vibrations. In addition, external disturbances, actuator saturation and model uncertainties increase difficulties of achieving such a goal. Consequently it is necessary to utilize an effective and nonlinear controller design approach to overcome these challenges. To perform considered scenario successfully, in this paper we use a method in nonlinear optimal control called State Dependent Riccati Equation (SDRE). Simple formulation and tuning as well as good performance and satisfactory robustness are some advantages of this approach in unified control of the spacecraft position, attitude and flexible motion during a proximity operation. 6DoF simulations show good performance of controller in presence of structure flexibility, parametric uncertainties, input uncertainty and saturation and external disturbance.