小天體是指太陽(yáng)系中除了行星和衛(wèi)星之外的數(shù)不清的小行星和彗星，它們大部分直徑在100km以下。小天體的形成是與太陽(yáng)系同步進(jìn)行的，較好地保留了太陽(yáng)系形成初期的物質(zhì)。受空間太陽(yáng)光壓和大行星引力等影響，當(dāng)運(yùn)行軌道發(fā)生改變，小天體可能會(huì)接近地球甚至發(fā)生撞擊，因此開展對(duì)小天體的探測(cè)和深入研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　小天體距離地球較遠(yuǎn)，具有尺寸小、引力較弱及自旋等特點(diǎn)，探測(cè)器在繞飛、接近和著陸小天體過(guò)程中還會(huì)受到太陽(yáng)光壓、第三體引力等空間多種攝動(dòng)力影響。所以探測(cè)器在小天體附近的動(dòng)力學(xué)模型呈現(xiàn)顯著非線性，不確定性和擾動(dòng)加深了其動(dòng)力學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性。因此，具有典型非線性特性的小天體附近探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的自主制導(dǎo)與控制技術(shù)是整個(gè)探測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵。相比于月球等較大天體，小天體附近探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的制導(dǎo)與控制具有一定的難度，研究成果還較少，目前有很多待解決的問(wèn)題。比如小天體附近探測(cè)器所受到的不規(guī)則弱引力的處理和描述問(wèn)題，探測(cè)器在小天體附近運(yùn)動(dòng)的軌道控制、姿態(tài)調(diào)整和姿軌耦合控制問(wèn)題。探測(cè)器在小天體附近受到的系統(tǒng)不確定性和空間擾動(dòng)增加了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及控制的復(fù)雜性，具有魯棒性和自適應(yīng)性的控制方法是保證探測(cè)器成功繞飛、下降和軟著陸的關(guān)鍵技術(shù)。從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)于小天體附近探測(cè)器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，很多學(xué)者從航天領(lǐng)域出發(fā)研究導(dǎo)航、軌道機(jī)動(dòng)和設(shè)計(jì)、基于相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型的軌道控制設(shè)計(jì)。然而探究探測(cè)器在小天體附近繞飛及下降著陸過(guò)程中的姿態(tài)和軌道耦合控制也是必要的，控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中的自主性、魯棒性和自適應(yīng)性也是研究的重點(diǎn)問(wèn)題。
　　本書針對(duì)存在模型不確定性和外界干擾時(shí)小天體附近探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的軌道和姿態(tài)控制問(wèn)題，進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的探討和研究，全書的主要內(nèi)容及研究工作如下：
　　1.闡述了研究背景和研究意義，對(duì)小天體探測(cè)及小天體附近探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了綜述。
　　2.利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律和相對(duì)微分原理，推導(dǎo)出小天體固連坐標(biāo)系下探測(cè)器下降過(guò)程軌道動(dòng)力學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上，基于坐標(biāo)變換思想推導(dǎo)出著陸點(diǎn)坐標(biāo)系下探測(cè)器著陸過(guò)程軌道動(dòng)力學(xué)模型：根據(jù)剛體復(fù)合運(yùn)動(dòng)關(guān)系和歐拉一牛頓法詳細(xì)推導(dǎo)了探測(cè)器在自旋小天體附近運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型；最后根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝方式不同，得到了探測(cè)器在最終著陸段的兩種姿軌耦合動(dòng)力學(xué)模型表述方法。
　　3.針對(duì)探測(cè)器在小天體附近運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到的系統(tǒng)不確定性和外界干擾及對(duì)探測(cè)器下降著陸過(guò)程安全性、準(zhǔn)確性的要求，研究了探測(cè)器動(dòng)力下降段和最終著陸段的軌道控制方法。首先，參考Apollo登月任務(wù)設(shè)計(jì)燃料次最優(yōu)多項(xiàng)式制導(dǎo)軌跡。其次，基于一類軌跡跟蹤控制思想，針對(duì)探測(cè)器在小天體附近下降過(guò)程中遇到的不確定性和擾動(dòng)，利用李雅普諾夫函數(shù)提出了帶有補(bǔ)償項(xiàng)的終端滑�？刂破�，采用自適應(yīng)律估計(jì)系統(tǒng)不確定性和外界擾動(dòng)上界的未知參數(shù)，使探測(cè)器在有限時(shí)間內(nèi)跟蹤期望制導(dǎo)軌跡到達(dá)天體表面某一高度，并具有全局魯棒性。最后，考慮到探測(cè)器在小天體附近最終著陸時(shí)遇到的外界干擾并保證著陸過(guò)程的安全性，基于動(dòng)態(tài)平面控制思想，結(jié)合傳統(tǒng)的反演技術(shù)，設(shè)計(jì)魯棒跟蹤控制策略，使得探測(cè)器的位置和速度達(dá)到期望軌跡，安全降落到著陸點(diǎn)附近，并使控制算法簡(jiǎn)單快速。
　　4.探測(cè)器繞飛過(guò)程中要對(duì)目標(biāo)天體進(jìn)行形狀和參數(shù)的觀測(cè)，但是小天體不規(guī)則引力、天體自旋、空間不確定性和擾動(dòng)的影響可能會(huì)破壞探測(cè)器的繞飛過(guò)程從而導(dǎo)致探測(cè)任務(wù)失敗，針對(duì)以上問(wèn)題研究了探測(cè)器繞飛自旋小天體的姿態(tài)控制問(wèn)題。首先，以簡(jiǎn)化的探測(cè)器姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型為對(duì)象，分析了探測(cè)器在小天體附近繞飛過(guò)程中的三維姿態(tài)運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和軌道半徑等參數(shù)的關(guān)系，應(yīng)用赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)得到探測(cè)器繞飛的穩(wěn)定條件。其次，考慮天體自旋、空間不確定性和干擾力矩，設(shè)計(jì)了魯棒反演滑模姿態(tài)跟蹤控制律，采用自適應(yīng)更新律估計(jì)未知擾動(dòng)的上界，使探測(cè)器三軸姿態(tài)歐拉角達(dá)到期望值，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定繞飛。
　　5.針對(duì)傳統(tǒng)滑�？刂拼嬖诘亩墩窈吞綔y(cè)器動(dòng)力下降段對(duì)姿態(tài)調(diào)整的要求，研究了探測(cè)器動(dòng)力下降過(guò)程的姿態(tài)控制問(wèn)題。首先，給出動(dòng)態(tài)滑模的定義和任意階動(dòng)態(tài)滑模的設(shè)計(jì)步驟及思想。其次，設(shè)計(jì)雙環(huán)滑�？刂破�，其中外環(huán)回路采用二階動(dòng)態(tài)滑模，而內(nèi)環(huán)回路采用一階動(dòng)態(tài)滑模，利用控制器的積分項(xiàng)消除了抖振：并采用自適應(yīng)律在線估計(jì)復(fù)合干擾的上界，有效抑制其影響，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角的穩(wěn)定跟蹤。最后，針對(duì)探測(cè)器可能受到的較強(qiáng)干擾影響，設(shè)計(jì)雙環(huán)滑�？刂破鳎�采用非線性干擾觀測(cè)器在線觀測(cè)內(nèi)環(huán)回路受到的外界擾動(dòng)，對(duì)于干擾觀測(cè)器的估計(jì)誤差，采用自適應(yīng)律在線獲得上界并設(shè)計(jì)補(bǔ)償項(xiàng)，保證系統(tǒng)的魯棒性。
　　6.為了保證探測(cè)器準(zhǔn)確、安全地最終到達(dá)小天體表面附近，探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的位置和姿態(tài)需要快速地同時(shí)滿足高精度的控制要求，針對(duì)以上問(wèn)題研究了探測(cè)器軟著陸過(guò)程中的姿軌耦合控制問(wèn)題。首先，考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置方案能夠保證有足夠的控制維數(shù)提供相對(duì)位姿變化所需要的控制，提出一種基于反演的六自由度魯棒自適應(yīng)模糊控制策略，采用模糊系統(tǒng)逼近系統(tǒng)不確定性和擾動(dòng)引起的部分模型，并采用自適應(yīng)律在線更新模糊系統(tǒng)的最優(yōu)逼近參數(shù)，使探測(cè)器位置和姿態(tài)同時(shí)跟蹤期望的軌跡，并保證系統(tǒng)的魯棒性。其次，為實(shí)現(xiàn)快速的軌道機(jī)動(dòng)，往往在探測(cè)器本體上僅配置一臺(tái)大推力軌道發(fā)動(dòng)機(jī)。針對(duì)這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)配置方案所引起的控制器設(shè)計(jì)中存在的非線性問(wèn)題，結(jié)合反演思想和三角函數(shù)變換方法，并考慮系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)影響，提出了魯棒姿軌耦合控制律，保證探測(cè)器在最終著陸時(shí)相對(duì)著陸點(diǎn)的位姿為期望值。并證明了所提出的閉環(huán)系統(tǒng)的李雅普諾夫穩(wěn)定性。
　　7.將所提出的魯棒控制算法推廣到一類典型非線性系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)中。基于反饋線性化理論，研究了一種用于雙向DC/DC變換器直流母線電壓控制系統(tǒng)的滑�？刂破�，用于快速跟蹤直流微電網(wǎng)中的功率干擾，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和外部干擾具有良好的魯棒性。
　　最后，總結(jié)本書的內(nèi)容，并結(jié)合筆者在小天體自主制導(dǎo)和控制、魯棒控制和自適應(yīng)控制等方面的研究心得，做出了對(duì)未來(lái)的研究展望和下一步的工作計(jì)劃。
　　本書由梁春輝副教授撰寫。本書在撰寫過(guò)程中，得到了部分研究生的支持和協(xié)助，他們校對(duì)了全書并繪制了部分插圖。
　　對(duì)于書中存在的疏漏和不足之處，懇請(qǐng)廣大讀者不吝指正。