[論文レビュー] On Attitude Recovery of Spacecraft using Nonlinear Control

S. Tafazoli|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Space Satellite Systems and Control被引用数 6

ひとこと要約

本博士論文は、入出力フィードバック線形化を用いた非線形制御手法を提案し、柔軟な宇宙船の姿勢回復を実現する。ハイブリッド座標を用いて宇宙船をモデル化し、システムを外部線形および内部非線形ダイナミクスに分割することで、局所的漸近安定なゼロダイナミクスと、不確実性に対して頑健な性能を達成した。剛体中央バスに柔軟なアームを備えたシステムについて、広範なシミュレーションにより検証された。

ABSTRACT

The general objective of this Ph.D. thesis is to study the dynamics and control of rigid and flexible spacecraft supported by a high-fidelity numerical simulation environment. The demand for greater attitude pointing precision, attitude maneuvering or recovery with the increased use of lightweight and flexible materials necessitates the consideration of flexible dynamics in the control strategy. These highly nonlinear dynamics which increase the order of the system are extremely difficult to model with high degree of accuracy. A general model for attitude and flexible dynamics for a class of spacecraft is hence derived in detail based on the so-called hybrid coordinates approach. The spacecraft considered has a star topology with a rigid central bus and flexible plate-type appendages. Given that the flexible spacecraft is under-actuated, the input-output feedback linearization technique is specifically used to partition the system into two distinct parts, namely an external linear system and an internal unobservable nonlinear system. A general internal/zero dynamics theorem for a class of nonlinear systems is proved and then applied to a flexible spacecraft which results in a linear asymptotically stable zero dynamics. The overall closed-loop stability of the flexible spacecraft is also analyzed rigorously and shown to be locally asymptotically stable using the Lyapunov theory. The robustness of the controller against modeling and parametric uncertainties is examined through extensive numerical simulations. Overall, the feedback linearization control scheme has been proven to be feasible and efficient for the attitude recovery of a spacecraft and has also become front and center in other application areas in the recent years.

研究の動機と目的

• 高精度な制御戦略を柔軟な宇宙船に開発し、姿勢指向精度を向上させること。
• 軽量で柔軟な材料がもたらす非線形的かつ高次のダイナミクスに起因する課題に対処すること。
• アンダーアクチュエートな柔軟な宇宙船システムにおける安定な姿勢回復を保証すること。
• リャプノフ理論を用いて閉ループ安定性を厳密に分析すること。
• パrametricおよびモデル不確実性に対する制御性能の評価

提案手法

• 剛体中央バスとプレート型の柔軟なアームを有する宇宙船を対象とし、ハイブリッド座標アプローチを用いて姿勢および柔軟ダイナミクスの一般モデルを導出する。
• 入出力フィードバック線形化を適用し、システムを外部線形系と内部観測不能な非線形系に分割する。
• 非線形システムにおける一般化された内部／ゼロダイナミクス定理を証明し、柔軟な宇宙船モデルに適用する。
• ゼロダイナミクスが線形的かつ漸近安定であることが示され、全体のシステム安定性が保証される。
• リャプノフに基づく解析により、閉ループシステムの局所的漸近安定性が確認される。
• モデル不確実性およびパrametric不確実性に対する頑健性を評価するために、広範な数値シミュレーションが実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高精度なアプローチを用いて、制御設計のための柔軟な宇宙船ダイナミクスを的確にモデル化するにはどうすればよいか？
• RQ2 フィードバック線形化は、アンダーアクチュエートな柔軟な宇宙船の姿勢回復を効果的に安定化できるか？
• RQ3 柔軟な宇宙船システムにおける内部ゼロダイナミクスの安定性挙動はいかなるものか？
• RQ4 パrametricおよびモデル不確実性下で、制御器はどのように動作するか？
• RQ5 提案された制御スキームは、実運用状況においてどの程度の頑健性を確保できるか？

主な発見

• 柔軟な宇宙船の内部ゼロダイナミクスが線形的かつ漸近安定であることが証明され、全体のシステム安定性が保証された。
• リャプノフ理論を用いた厳密な解析により、閉ループシステムが局所的漸近安定であることが示された。
• フィードバック線形化制御スキームは、柔軟性に起因する高次の非線形性と系の高次元化にもかかわらず、姿勢回復を成功裏に達成した。
• 数値シミュレーションにおいて、パrametricおよびモデル不確実性に対して、制御器が頑健な性能を示した。
• 本アプローチは、姿勢回復に実用的かつ効率的であり、より広範な応用分野でも注目を集めている。
• 本研究は、実用的工学的意義を持つ複雑な柔軟な宇宙船システムへのフィードバック線形化の応用に基盤を築いた。