بررسی کاربرد روش‌های ریاضی در کنترل وضعیت و پایداری فضاپیما
Keywords:
وضعیت فضاپیما, کنترل وضعیت, جبر کواترنیون, کنترل تطبیقی, کنترل حالت لغزشی, گروه‌های لیAbstract
این مقاله به بررسی روش‌های پیشرفته کنترل وضعیت فضاپیماها با بهره‌گیری از رویکردهای ریاضی و مدل‌سازی دقیق پرداخته است. کنترل وضعیت ماهواره‌ها، به‌ویژه در شرایط اغتشاشات خارجی، تغییرات دینامیکی و محدودیت‌های سیستمی، از چالش‌های اساسی مهندسی فضایی محسوب می‌شود. استفاده از جبر کواترنیون و گروه‌های ریاضی مانند SO(3) و SE(3) به دلیل توانایی در حذف تکینگی‌ها و کاهش پیچیدگی‌های محاسباتی، راهکارهای مؤثری ارائه می‌دهد. ترکیب روش‌های لغزشی تطبیقی، کنترل‌کننده‌های توزیع‌شده و برنامه‌ریزی محدب پیش‌بینی‌کننده(MPCP)، امکان ردیابی دقیق وضعیت، کاهش مصرف انرژی و مدیریت بهتر اغتشاشات و تغییرات شدید دینامیکی را فراهم کرده است. این رویکردها با تحلیل پایداری لیاپانوف و بهره‌گیری از منطق فازی، به بهبود عملکرد سیستم در شرایط چالش‌برانگیز کمک کرده‌اند. شبیه‌سازی‌های عددی و آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهند که این روش‌ها در مأموریت‌هایی نظیر ردیابی مسیرهای زمان‌متغیر، مدیریت سازه‌های مداری انعطاف‌پذیر و هماهنگ‌سازی دقیق ماهواره‌ها، دقت و پایداری بالایی ارائه می‌دهند. مدل‌سازی دقیق عملگرهایی نظیر چرخ‌های عکس‌العملی، بهینه‌سازی گشتاورها و محدود نگه‌داشتن تلاش کنترلی در محدوده منطقی، قابلیت عملیاتی بالای این کنترل‌کننده‌ها را اثبات کرده است. کاربرد این روش‌ها در مأموریت‌های مدار پایین زمین(LEO)، ماهواره‌های بین‌سیاره‌ای و ربات‌های فضایی، توانایی آن‌ها را در مقابله با اغتشاشات شدید محیطی و تغییرات سریع دینامیکی نشان داده است. این پژوهش، با ارائه چارچوبی جامع و کاربردی برای کنترل وضعیت و پایداری فضاپیما، گامی نوین در توسعه فناوری‌های پیشرفته فضایی برداشته و افق‌های جدیدی برای مأموریت‌های مداری و بین‌سیاره‌ای گشوده است.
Downloads
References
1.Alipour, M., Fani Saberi, F., & Kabganian, M. (2020). Inertia-free nonlinear attitude tracking with disturbance compensation using adaptive-sliding control based on quaternion algebra. Simulation, 96(1), 43-54.
2.Alipour, M. R., Saberi, F. F., & Kabganian, M. (2018). Modelling, design and experimental implementation of non-linear attitude tracking with disturbance compensation using adaptive-sliding control based on quaternion algebra. The Aeronautical Journal, 122(1247), 148-171.
3. Xing, L., Zhang, J., Liu, C., & Zhang, X. (2021). Fuzzy-logic-based adaptive event-triggered sliding mode control for spacecraft attitude tracking. Aerospace science and technology, 108, 106394.
4. Chen, T., & Shan, J. (2021). Distributed spacecraft attitude tracking and synchronization under directed graphs. Aerospace Science and Technology, 109, 106432.
5. Fiori, S., Cervigni, I., Ippoliti, M., & Menotta, C. (2020). Extension of a PID control theory to Lie groups applied to synchronizing satellites and drones. IET Control Theory & Applications, 14(17), 2628-2642.
6. Wang, Y., Gong, K., Duan, Y., He, B., & Ma, H. (2023). Dynamic Modelling and Continuous Trajectory Tracking Control of Space Robots Based on Lie Group SE (3). International Journal of Aerospace Engineering, 2023(1), 7435217.
7. Zheng, Z., Shang, W., Ai, J., Zou, Y., & Liu, Z. (2023). Integrated geometric optimal control of spacecraft attitude and orbit based on SE (3). IEEE Access, 11, 27382-27394.
8. Hu, Q., Liu, Y., Dong, H., & Zhang, Y. (2020). Saturated attitude control for rigid spacecraft under attitude constraints. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 43(4), 790-805.
9. Rigatos, G., Abbaszadeh, M., Busawon, K., & Dala, L. (2022). A nonlinear optimal control method for attitude stabilization of micro-satellites. Guidance, Navigation and Control, 2(03), 2250016.
