Деякі особливості керування становленням супутника із використанням кватерніонів
DOI:
https://doi.org/10.20535/0203-3771482024317873Ключові слова:
мікро-супутник, кватерніон, система керування орієнтацією супутника, ефект розкручуванняАнотація
В системах керування орієнтацією сучасних космічних апаратів, насамперед мікросупутників, широкого застосування набули алгоритми з використанням рівнянь кінематики в кватерніонах. Вони забезпечують при поворотах на великі кути уникнення точок сингулярності, характерних для кутів Ейлера-Крилова. Проте специфіка одиничних кватерніонів як параметрів визначення орієнтації може створювати в системі так званий «ефект розкручування», коли поворот космічного апарата в задане положення виконується не найкоротшим шляхом і збільшує витрати електроенергії, запас якої на борту обмежений. Дана публікація, підсумовуючи відомі публікації, ілюструє причини виникнення вказаного ефекту і демонструє простий алгоритм його уникнення. Ефективність такого підходу показана на прикладах чисельного моделювання системи керування мікросупутника з двигунами-маховиками та PD-регулятором на платформі MATLAB.
Посилання
Markley, F. L., Crassidis, J. L. Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2014, 486 p.
Branets, V. N., Shmyglevsky, I. P. Application of quaternions in problems of rigid body orientation. Moscow/Nauka, SU, 1973, 320 p.
Grossekathofer, K., Yoon, Z. Introduction into quaternions for spacecraft attitude representation. Technical University of Berlin, 2011, 16 p. https://argos.vu/wp-content/uploads/2017/01/Quaternions-1.pdf .
Wie, B., Barba P. M. Quaternion feedback for spacecraft large angle maneuvers. Journal of Guidance, Control and Dynamics, vol. 8 (3), 1985, pp. 360 365. DOI: 10.2514/3.19988.
Eze, C. U., Mbaocha, C. C., Onojo, J. O. Design of Linear Quadratic Regulator for the Three-Axis Attitude Control System Stabilization of Microsatellites. Int. J. of Scientific & Engineering Research, vol. 7 (6), 2016, pp. 834 845.
Lopez, B. T., Slotine, J.-J. E. Sliding on Manifolds: Geometric Attitude Control with Quaternions. 2021 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Xi'an, China, 2021, pp. 11140-11146. DOI: 10.1109/ICRA48506.2021.9561867.
Schlanbusch, R., Loria, A., Kristiansen, R., Nicklasson, P. PD+ based output feedback attitude control of rigid bodies with improved performance. Proc. of the 2011 American Control Conference, San Francisco, CA, USA, 2011, pp. 833 – 838. DOI: 10.1109/ACC.2011.5991389.
Wen, J. T.-Y., Kreutz-Delgado, K. The attitude control problem. IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 36 (10), 1991, pp. 1148–1162. DOI: 10.1109/9.90228.
Mayhew, C. G., Sanfelice, R. G., Teel, A. R. On quaternion-based attitude control and the unwinding phenomenon. Proc. of the 2011 American Control Conference, San Francisco, CA, USA, 2011, pp. 299-304, DOI: 10.1109/ACC.2011.5991127.
He, Z., Wang, G.-X. Unwinding phenomenon in attitude control. Dianji yu Kongzhi Xuebao/Electric Machines and Control, vol. 19 (7), 2015, pp. 101 105. DOI: 10.15938/j.emc.2015.07.015.
Septanto, H., Trilaksono, B., Syaichu-Rohman, A., Eko-Poetro, R., Ibrahim, A. Quaternion-Based Attitude Control System Design of Single and Cooperative Spacecrafts: Boundedness of Solution Approach. Modelling and Simulation in Engineering, 2014 (1). DOI: 10.1155/2014/652571.
Dong, R.-Q., Wu, A.-G., Zhang, Y., Duan, G.-R., Li, B. Anti-unwinding terminal sliding mode attitude tracking control for rigid spacecraft. Automatica, vol. 145(10), 2022, pp. 110567. DOI: 10.1016/j.automatica.2022.110567.
Kimathi, S., Lantos, B. PD control and the unwinding effect in quaternion parameterized attitude control. IEEE 27th International Conference on Intelligent Engineering Systems (INES), Nairobi, Kenya, 2023, pp. 000067 000072, DOI: 10.1109/INES59282.2023.10297790.
Zbrutsky, O. V., Meleshko, V. V., Ganja, A. P., Tarnavsky, S. V., Bondarenko, O. M., Ponomarenko, S. O., Saurova, K. System definition of micro- nano satellite orientation. Mechanics of gyroscopic systems, 2022, no. 43, pp. 46-60. DOI: 10.20535/0203-3771432022275282.
Zbrutskyi, A., Meleshko, V., Tarnavskyi, S., Serdiuk, A. Microsatellite Alignment to Position of Maximum Solar Panels Illumination Without a Sun Sensor. IEEE Access, vol. 12, 2024, pp. 123804-123810, DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3394613.
Horri, N., Palmer, P. L., Roberts, M. Energy optimal spacecraft attitude control subject to convergence rate constraints. Control Engineering Practice, vol. 19, 2011, pp. 1297-1314. DOI: 10.1016/j.conengprac.2011.07.002.
Burnashev, V. V., Zbrutsky, O. V., Marinich, Y. M. Micro-satellite orientation control system with rotation wheels. Mechanics of gyroscopic systems, 2022, no. 44, pp. 20–30. DOI: 10.20535/0203-3771442022284617.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Владислав Мелешко
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
