本發(fā)明涉及細(xì)胞機(jī)器人集群的目標(biāo)航天器姿態(tài)接管控制，具體而言，涉及一種多航天器分布式協(xié)同矢量控制分配方法。

背景技術(shù)：

1、針對(duì)基于細(xì)胞機(jī)器人集群的目標(biāo)航天器姿態(tài)接管控制任務(wù)，傳統(tǒng)的解決方案多采用集中式控制算法。在該算法中隨著細(xì)胞機(jī)器人數(shù)量的增多，中心節(jié)點(diǎn)將面臨巨大的通信和計(jì)算壓力，其有限的資源將難以滿足相應(yīng)的任務(wù)需求。為解決該問題，研究人員提出了分布式層級(jí)接管控制算法，該算法中涉及一個(gè)控制細(xì)胞機(jī)器人和若干個(gè)執(zhí)行細(xì)胞機(jī)器人，所有細(xì)胞機(jī)器人都位于同一個(gè)通信拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人都是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中控制細(xì)胞機(jī)器人用于生成組合系統(tǒng)姿態(tài)調(diào)整所需的虛擬控制信號(hào)，并通過通信拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)將其傳達(dá)至各節(jié)點(diǎn)，然后各節(jié)點(diǎn)通過與相鄰細(xì)胞機(jī)器人的信息交互完成控制分配，獲取細(xì)胞機(jī)器人層級(jí)的可執(zhí)行的控制指令。在此類算法中由于通信拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的存在，使其相比于傳統(tǒng)集中式算法大幅降低了系統(tǒng)的通信和計(jì)算壓力。該算法主要包括兩步：控制信號(hào)生成和分布式控制分配。

2、控制信號(hào)生成是指基于組合航天器的姿態(tài)偏差及相關(guān)的約束條件獲取調(diào)整其姿態(tài)所需的虛擬控制信號(hào)。但該信號(hào)并不能直接被執(zhí)行，需通過控制分配分解至各個(gè)細(xì)胞機(jī)器人。由于單個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的執(zhí)行能力有限，所以通常需要多個(gè)細(xì)胞機(jī)器人協(xié)同執(zhí)行接管控制任務(wù)，為獲取各細(xì)胞機(jī)器人的輸出信號(hào)，需要發(fā)明相應(yīng)的控制分配算法。

3、分布式控制分配是指通過分布式信息交互的方式，使得各細(xì)胞機(jī)器人對(duì)虛擬控制信號(hào)進(jìn)行分解，使得各細(xì)胞機(jī)器人輸出的矢量和跟蹤虛擬控制信號(hào)。理想情況下，各細(xì)胞機(jī)器人輸出信號(hào)的方向應(yīng)當(dāng)是任意的，這要求分布式控制分配方法應(yīng)當(dāng)遵循矢量分配的思想，即各細(xì)胞機(jī)器人通過分布式計(jì)算獲取矢量分配矩陣，并利用該矩陣和虛擬控制信號(hào)信息獲得細(xì)胞機(jī)器人的期望輸出信號(hào)。這極大地保證了細(xì)胞機(jī)器人輸出的靈活性，同時(shí)能夠?qū)ο到y(tǒng)在某些指標(biāo)上的最優(yōu)性提供支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種多航天器分布式協(xié)同矢量控制分配方法，以至少解決現(xiàn)有技術(shù)中細(xì)胞機(jī)器人集群對(duì)目標(biāo)航天器進(jìn)行姿態(tài)接管控制任務(wù)時(shí)計(jì)算量大和通信壓力大的技術(shù)問題。

2、根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)方面，提供了一種多航天器分布式協(xié)同矢量控制分配方法。該方法可以包括：建立組合航天器中每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系和組合航天器的坐標(biāo)系，并構(gòu)建組合航天器的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型；獲取虛擬控制信號(hào)；構(gòu)建每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的初始矢量分配矩陣；對(duì)每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的初始矢量分配矩陣進(jìn)行分布式優(yōu)化，得到每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣；基于每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣、虛擬控制信號(hào)和每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系到組合航天器的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，確定每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人對(duì)組合航天器的質(zhì)心形成的作用力矩。

3、可選地，所述建立組合航天器中每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系的過程為：將每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的質(zhì)心；將每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向設(shè)置在每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的三個(gè)慣性主軸方向。

4、可選地，所述建立組合航天器的坐標(biāo)系的過程為：將組合航天器的坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在組合航天器的質(zhì)心；將組合航天器中第一個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)軸方向作為組合航天器的坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向。

5、可選地，所述對(duì)每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的初始矢量分配矩陣進(jìn)行分布式優(yōu)化，得到每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣，包括：采用序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法對(duì)每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的初始矢量分配矩陣進(jìn)行優(yōu)化，得到每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣。

6、可選地，所述基于每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣、虛擬控制信號(hào)和每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系到組合航天器的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，確定每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人對(duì)組合航天器的質(zhì)心形成的作用力矩，包括：基于每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣、虛擬控制信號(hào)和每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系到組合航天器的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，確定每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的輸出；基于每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的輸出，確定每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人對(duì)組合航天器的質(zhì)心形成的作用力矩。

7、可選地，所述基于每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣、虛擬控制信號(hào)和每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系到組合航天器的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，確定每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的輸出，包括：將每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣、虛擬控制信號(hào)和每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系到組合航天器的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣三者之間的積，確定為每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的輸出。

8、可選地，所述基于每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的輸出，確定每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人對(duì)組合航天器的質(zhì)心形成的作用力矩，包括：將每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的輸出之和，確定為每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人對(duì)組合航天器的質(zhì)心形成的作用力矩。

9、本發(fā)明的有益效果：

10、本發(fā)明給出了一種多航天器分布式協(xié)同矢量控制分配方法，該方法允許每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人以任意方向進(jìn)行控制輸出，從而使得組合航天器整體能夠在一些指標(biāo)方面獲得全局最優(yōu)，同時(shí)，由于本發(fā)明采用分布式計(jì)算，使得組合航天器能夠綜合利用每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的計(jì)算和通信資源，提高組合航天器的可靠性。

技術(shù)特征：

1.一種多航天器分布式協(xié)同矢量控制分配方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立組合航天器中每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系的過程為：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立組合航天器的坐標(biāo)系的過程為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對(duì)每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的初始矢量分配矩陣進(jìn)行分布式優(yōu)化，得到每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣、虛擬控制信號(hào)和每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系到組合航天器的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，確定每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人對(duì)組合航天器的質(zhì)心形成的作用力矩，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣、虛擬控制信號(hào)和每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系到組合航天器的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，確定每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的輸出，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的輸出，確定每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人對(duì)組合航天器的質(zhì)心形成的作用力矩，包括：

8.一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其特征在于包括：一個(gè)或多個(gè)處理器，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，用于存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)程序，其中，當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)程序被所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述一個(gè)或多個(gè)處理器實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的方法。

9.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述指令在被執(zhí)行時(shí)用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的方法。

10.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于包括計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，所述指令在被執(zhí)行時(shí)用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多航天器分布式協(xié)同矢量控制分配方法。該方法包括：建立組合航天器中每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系和組合航天器的坐標(biāo)系，并構(gòu)建組合航天器的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型；獲取虛擬控制信號(hào)；構(gòu)建每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的初始矢量分配矩陣；對(duì)每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的初始矢量分配矩陣進(jìn)行分布式優(yōu)化，得到每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣；基于每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的目標(biāo)矢量分配矩陣、虛擬控制信號(hào)和每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人的坐標(biāo)系到組合航天器的坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，確定每個(gè)細(xì)胞機(jī)器人對(duì)組合航天器的質(zhì)心形成的作用力矩。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中細(xì)胞機(jī)器人集群對(duì)目標(biāo)航天器進(jìn)行姿態(tài)接管控制任務(wù)時(shí)計(jì)算量大和通信壓力大的技術(shù)問題。

技術(shù)研發(fā)人員：常海濤,趙碩,劉正雄,黃攀峰,劉星,馬志強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8