题目：基于磁悬浮CMGs的敏捷小卫星姿态控制方法研究与实验

快速姿态机动控制是敏捷卫星的关键技术之一，日益为学者们所关注。控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope, CMG)因其输出力矩大、响应速度快等优点，成为敏捷卫星的有效执行机构。磁悬浮双框架控制力矩陀螺(Double Gimbal CMG, DGCMG)具有微振动、操纵奇异问题不突出、系统冗余性好、无摩擦等突出优势。本文针对基于磁悬浮DGCMGs的敏捷小卫星的姿态快速机动控制问题，完成的主要研究工作如下：首先，采用欧拉动力学方程建立基于磁悬浮DGCMGs的敏捷小卫星姿态动力学模型。结果表明了此动力学模型具有非线性强耦合的特点。然后，提出一种改进的遗传算法对基于磁悬浮DGCMGs的敏捷小卫星的姿态路径进行离线规划，为姿态跟踪控制器进行跟踪控制，完成整体姿态机动任务打下基础。仿真结果表明，在控制输入有界、执行机构饱和、奇异测度约束和星体角速度限制等多种约束下，改进的遗传算法能够规划出满足机动能力指标且能量较优的有效路径。其次，设计了敏捷小卫星姿态跟踪控制器。为了精确跟踪规划得到的机动路径及抑制外界干扰和转动惯量不确定性的影响，将自适应反步法与滑模控制方法结合设计自适应线性反步滑模控制器。进一步，针对反步法中采用线性跟踪函数带来的初始指令力矩过大和稳定时间长等缺点，提出一种非线性跟踪函数，设计了自适应非线性反步滑模控制器。仿真结果表明，自适应非线性反步滑模控制器对卫星的外界干扰和转动惯量不确定性具有鲁棒性，且具有较好的跟踪性能。最后，进行了基于两个正交构型的磁悬浮DGCMGs的敏捷小卫星单轴机动硬件在回路仿真实验。实验结果表明，结合路径规划的自适应非线性反步滑模控制器不仅克服了直接采用姿态控制器进行姿态控制带来的初始指令力矩大，执行机构饱和等缺点，还能从全局的角度考虑CMG的奇异问题，有利于CMG的安全运行。