太空船動力學與控制專業課程

探索太空船姿態分析的職業。掌握太空船姿態動力學的理論和概念。

關於此專業課程

太空船動力學和控制涵蓋三個核心主題領域:對剛體的運動和運動速率的描述(運動學),在考慮質量、轉矩和慣性的情況下,開發預測剛體運動的運動方程(動理學) ,最後是非線性控件,用於編程特定方向並在三維空間中實現精確的瞄準目標(控制)。 該專業邀請學習者通過有針對性的內容交付、持續的概念強化和專案應用來在這三個領域中發展能力。

該專業的目的是介紹與太空船動力學和控制有關的理論。 這包括對方向的三維描述、創建動態旋轉模型以及為實現所需姿態軌跡( attitude trajectories )而開發的反饋控制。

到官方網站了解本課程與上課

你將學到的內容有

  • 應用傳輸定理( transport theorem )來區分向量,導出依賴於幀( frame )的速度和加速度向量,並解決運動學粒子問題,
  • 在姿態( attitude )描述集之間進行轉譯; 增加和減去剛體運動的相對姿態描述
  • 應用雙旋轉器配置( dual-spinner configuration )的靜態穩定性條件,得出帶有動量交換裝置的剛體的運動方程
  • 應用 Lyapunov 方法論證一系列系統的穩定性和收斂性,分析具有未建模扭矩的剛體控制收斂性

你將獲得的技能:

kinematics (運動學)attitude dynamicskinetics (動理學)
非線性姿態控制Typographyspacecraft motion

字幕

英文

製作方

University of Colorado Boulder 科羅拉多大學波德分校

CU-Boulder是一個充滿活力的學者和學習者社區,位於美國最壯觀的大學校園之一。作為享負盛名的美國大學協會(AAU)的34家美國公共機構之一,我們擁有卓越的學術卓越傳統,擁有5名諾貝爾獎獲得者和 50 多名著名學府的成員。

第 1 門課程   運動學:描述太空船的運動

為了確保安全性和有效性,必須精確地預測和控制物體(例如太空船、衛星和空間站)在太空中的運動。運動學是一個對 3D 空間中這些物體的運動進行描述和預測的領域。運動學課程涵蓋四個主要主題領域:粒子運動學入門,分為兩部分深入研究剛體運動學(從使用方向餘弦矩陣和歐拉 Euler 角的經典運動描述開始,最後回顧如四元數 quaternions 的現代描述子 descriptors 以及“經典”和“修改後的Rodrigues”參數)。本課程最後帶您使用現代演算法預測並執行空間中物體的相對方向做靜態姿態確定( static attitude determination )。

完成本課程後,您將能夠…

*區分出一個被視為另一旋轉幀的向量,並得出依賴於幀的速度和加速度向量
*應用運輸定理( Transport Theorem )解決運動學粒子問題,並在各種姿態描述之間進行轉換
*添加和減去相對姿態描述並將這些描述數字化以預測一段時間內的方向( orientations )
*推導剛體的基本姿態坐標屬性並通過一系列航向測量確定姿態


第 2 門課程  動理學:研究太空船的運動

當它們在太空中翻滾時,諸如太空船之類的物體會以動態的方式運動。了解和預測代表運動的方程對太空船任務發展的安全性和有效性至關重要。動理學 ( Kinetics ):對太空船的運動進行建模可訓練您的技能,例如以坐標框架不可知的方式顯示諸如剛體角動量和動能表達,單和雙剛體系統翻滾而無需外部轉矩的力,整個剛體上的重力差如何一階近似於研究姿態和軌道運動的擾動,以及引入通用動量交換裝置後這些系統如何變化。

完成本課程後,您將能夠…

*從基本角動量公式得出運動的旋轉方程,並預測和確定無轉矩運動平衡及相關的穩定性
*為具有多個旋轉組件的剛體建立運動方程,並推導並應用重力梯度轉矩
*應用雙旋轉器配置的靜態穩定性條件,並預測引入動量交換設備後的變化
*對於存在各種動量交換裝置的系統的推導運動方程

請注意:這是一門進階課程,適合在職的工程師或具有大學水準的數學和物理知識的學生。


第 3 門課程  非線性太空船姿態運動的控制

本課程將培訓您進行特定方向編程並實現在三維空間中移動的太空船的精確瞄準目標所需的技能。 首先,我們涵蓋了非線性動力學系統的穩定性定義,涵蓋了局部和全局穩定性之間的差異。 然後,我們分析並應用 Lyapunov 直接法( Direct Method )來證明這些穩定性,並使用 Lyapunov 理論開發非線性三軸姿態指向控制律。 最後,我們看一下替代可用的反饋控制律和閉環動力學。

完成本課程後,您將能夠…

*從一系列非線性穩定性概念中區別
*應用 Lyapunov 直接方法來論證一系列動力學系統的穩定性和收斂性
*利用 Lyapunov 理論開發用於三軸姿態控制的速率和姿態誤差測量
*使用未建模的扭矩分析剛體控制收斂


第 4 門課程  太空船動力學的總整專案:火星任務

這個總整( capstone )太空船動力學專案的目標是運用剛體運動學、動理學和控制課程中開發的技能。在一次母飛行器與另一軌道的子母飛行器進行通訊的情況下,可以考慮執行一次激動人心的兩船火星飛行任務。挑戰包括確定軌道框架和幾個所需參考框架的運動學,對太空船在軌道上的姿態動力學進行數值模擬,以及實施反饋控制,然後將不同的太空船主體框架驅動到一系列任務模式,包括指向太陽已產生動力,指向天底收集科學資料,指向母飛船以作通訊和資料傳輸。最後,開發了一種整合的任務模擬,實現這些姿態模式並探索由此產生的自主閉環性能( autonomous closed-loop performance )。

任務 1 和 2 使用三維運動學來創建與任務相關的軌道模擬和相關的軌道框架。引入步驟確保衛星正在正確地運動,並且正確評估了相對於行星的軌道框架導向( orbit frame orientation )。

任務 3 至 5 為三種姿態指向模式(稱為太陽指向、天底指向和GMO指向)創建了所需的姿勢參考框架。參考姿態框架是確保反饋控制將衛星驅動到所需方向的關鍵組件。對於所有三種指向模式,所採用的控制均相同,但是由於採用了不同的姿態參考框架,因此性能有所不同。

任務 6 至 7 創建了模擬例行程序,以首先評估當前姿態模式的物體固定框架與特定參考框架之間的姿態追蹤誤差。接下來,通過數值模擬對慣性姿態動力學進行評估,以便能夠對控制性能進行數值分析。

任務 8 – 11 模擬了三種姿態模式的閉環姿態性能。任務 8 到 10 首先一次模擬一個單一的姿態,而任務 11 開發一個綜合的姿態任務模擬,該模擬考慮姿態模式根據太空船相對於行星的位置自動切換。


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