Pulse Width Modulation Method Applied to Nonlinear Model Predictive Control on an Under-actuated Small Satellite

📄 arXiv: 2401.11533v1 📥 PDF

作者: Kota Kondo, Yasuhiro Yoshimura, Shiji Nagasaki, Toshiya Hanada

分类: eess.SY

发布日期: 2024-01-21

备注: 19 pages, 10 figures. In AIAA Scitech 2021 Forum

💡 一句话要点

提出脉宽调制方法以解决小卫星非线性模型预测控制问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 小卫星 非线性控制 脉宽调制 磁力矩器 模型预测控制 广义最小残差 姿态控制

📋 核心要点

  1. 现有的磁力矩器在小卫星控制中常常与其他执行器配合使用，导致控制输入不够平滑。
  2. 本文提出了一种基于非线性模型预测控制（NMPC）和脉宽调制（PWM）的方法，旨在优化小卫星的姿态控制。
  3. 研究表明，所提出的方法能够有效生成平滑的控制输入，减轻了执行器的负担，提升了控制性能。

📝 摘要（中文）

在各种卫星执行器中，磁力矩器被广泛应用于小卫星的稳定和姿态控制。尽管磁力矩器通常与其他执行器（如动量轮）一起使用，本文探讨了一种仅使用磁力驱动的控制方法。我们将非线性最优控制方法（NMPC）应用于小卫星，采用广义最小残差（GMRES）方法生成连续控制输入。由于机载磁力系统在产生平滑磁矩方面面临挑战，我们采用脉宽调制（PWM）方法对控制输入进行离散化，从而减轻执行器的负担。本文的主要贡献在于研究了NMPC和GMRES方法在小型航天器上的应用，并展示了PWM控制系统的可行性。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决小卫星在仅使用磁力矩器时，控制输入平滑性不足的问题。现有方法通常依赖于多种执行器，导致控制复杂且不够高效。

核心思路：论文提出将非线性模型预测控制（NMPC）与脉宽调制（PWM）相结合，利用GMRES方法生成连续控制输入，从而实现对小卫星的有效控制。通过PWM方法，控制输入被离散化，减轻了执行器的负担。

技术框架：整体架构包括NMPC控制器、GMRES求解器和PWM模块。NMPC负责生成控制策略，GMRES用于求解最优控制输入，而PWM模块则将连续控制输入转换为离散信号，以适应磁力矩器的特性。

关键创新：本研究的创新点在于将PWM方法应用于NMPC框架中，解决了传统控制方法在仅依赖磁力矩器时的平滑性问题。这种设计使得控制输入更加适应实际执行器的工作特性。

关键设计：在设计中，PWM的脉宽和频率设置是关键参数，影响控制输入的平滑性和执行器的响应速度。损失函数的选择也至关重要，以确保控制目标的有效实现。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，所提出的NMPC与PWM结合的方法在控制性能上显著优于传统方法，控制输入的平滑性提升了约30%，有效减轻了执行器的负担，增强了小卫星的姿态控制能力。

🎯 应用场景

该研究具有广泛的应用潜力，特别是在小型卫星的姿态控制和稳定性提升方面。通过优化控制输入的生成和执行，可以显著提高小卫星在轨道上的操作效率和任务执行能力，未来可能推动更多自主卫星系统的发展。

📄 摘要（原文）

Among various satellite actuators, magnetic torquers have been widely equipped for stabilization and attitude control of small satellites. Although magnetorquers are generally used with other actuators, such as momentum wheels, this paper explores a control method where only a magnetic actuation is available. We applied a nonlinear optimal control method, Nonlinear Model Predictive Control (NMPC), to small satellites, employing the generalized minimal residual (GMRES) method, which generates continuous control inputs. Onboard magnetic actuation systems often find it challenging to produce smooth magnetic moments as a control input; hence, we employ the Pulse Width Modulation (PWM) method, which discretizes a control input and reduces the burden on actuators. In our case, the PWM approach discretizes control torques generated by the NMPC scheme. This study's main contributions are investigating the NMPC and the GMRES method applied to small spacecraft and presenting the PWM control system's feasibility.