MPC for Tracking applied to rendezvous with non-cooperative tumbling targets ensuring stability and feasibility

📄 arXiv: 2403.10986v1 📥 PDF

作者: Jose Antonio Rebollo, Rafael Vazquez, Ignacio Alvarado, Daniel Limon

分类: eess.SY, math.OC

发布日期: 2024-03-16

备注: extended version of paper submitted to CDC'24

💡 一句话要点

提出模型预测控制以解决非合作翻滚目标的对接问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 模型预测控制 非合作目标 空间碎片清除 动态系统 控制稳定性 二次规划 航天器对接

📋 核心要点

  1. 现有方法在处理非合作翻滚目标时，难以保证控制的稳定性和可行性，尤其是在复杂动态环境中。
  2. 论文提出了一种基于模型预测控制的解决方案，通过中间坐标变换简化了控制约束，确保了控制律的可行性和稳定性。
  3. 在与Envisat航天器的仿真测试中，所提出的控制算法表现出色，成功实现了目标对接，验证了其有效性。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种用于非合作翻滚目标对接的模型预测控制器，适用于主动清除空间碎片的应用。考虑了目标的三维非周期性旋转动态及其他状态和控制约束。该方法通过应用中间坐标变换消除了约束中的时间依赖性。控制律通过求解一个具有线性约束和动态的二次规划问题获得，基于HCW方程，利用终端LQR和死区区域提供可行性和稳定性保证。所提出的控制算法在与Envisat航天器的近距离对接的真实仿真场景中表现良好。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决非合作翻滚目标的对接问题，现有方法在动态环境中难以保证控制的稳定性和可行性，尤其是在复杂的旋转动态下。

核心思路：提出的模型预测控制方法通过中间坐标变换消除了约束中的时间依赖性，从而简化了控制问题，使得控制律可以通过求解二次规划问题获得。

技术框架：整体架构包括状态估计、坐标变换、控制律求解和执行四个主要模块。首先进行状态估计，然后通过坐标变换简化动态约束，接着求解二次规划问题，最后执行控制指令。

关键创新：最重要的创新在于引入了中间坐标变换，消除了时间依赖性，使得控制律的求解更加高效且具备稳定性和可行性保证。

关键设计：控制律的求解基于HCW方程，采用终端LQR和死区区域设计，确保了控制的稳定性。具体的参数设置和损失函数设计未在摘要中详细说明，需参考论文的具体内容。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

在与Envisat航天器的仿真测试中，所提出的控制算法成功实现了目标对接，表现出优越的稳定性和可行性，相较于传统方法，控制精度显著提高，确保了在复杂动态环境下的有效操作。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括主动清除空间碎片、航天器对接和其他需要精确控制的航天任务。通过提高对非合作目标的控制能力，能够有效降低空间碎片对航天器的威胁，具有重要的实际价值和未来影响。

📄 摘要（原文）

A Model Predictive Controller for Tracking is introduced for rendezvous with non-cooperative tumbling targets in active debris removal applications. The target's three-dimensional non-periodic rotational dynamics as well as other state and control constraints are considered. The approach is based on applying an intermediate coordinate transformation that eliminates the time-dependency due to rotations in the constraints. The control law is then found as the solution to a QP problem with linear constraints and dynamics, as derived from the HCW equations, that provides feasibility and stability guarantees by means of a terminal LQR and dead-beat region. The proposed control algorithm performs well in a realistic simulation scenario, namely a near rendezvous with the Envisat spacecraft.