Safe, Delta-v-Efficient Spacecraft Swarm Reconfiguration Using Lyapunov Stability and Artificial Potentials

李雅普诺夫函数 控制理论(社会学) 控制重构 计算机科学 航天器 群体行为 数学优化 避碰 数学 碰撞 工程类 控制(管理) 人工智能 非线性系统 物理 嵌入式系统 计算机安全 航空航天工程 量子力学
作者
Corinne Lippe,Simone D’Amico
出处
期刊:Journal of Guidance Control and Dynamics [American Institute of Aeronautics and Astronautics]
卷期号:45 (2): 213-231 被引量:22
标识
DOI:10.2514/1.g006253
摘要

Spacecraft swarms can achieve mission objectives otherwise impossible by monolithic satellites. To this end, swarms need to autonomously reconfigure their relative motion while complying with spacecraft constraints. Convex optimization provides safety and efficiency for arbitrary reconfigurations at high computational cost. Comparatively, closed-form solutions are computationally efficient but do not guarantee optimality and compliance to constraints in general cases. This work proposes a novel control architecture with Lyapunov functions and artificial potentials based on relative orbit elements that promise the numerical efficiency of closed-form solutions and the general applicability of convex optimization solvers. The novel Lyapunov functions are designed using analytical lower bounds calculated using the current control tracking errors. When the functions are used with a feedback control scheme modeled after the optimal, closed-form solutions for binary system reconfiguration, the resulting controller is both computationally and efficient. To address safety and state constraints in general, reference governors based on artificial potential functions enable computationally efficient collision avoidance using only neighbor state information. The controllers are validated in example mission simulations representative of Starling-1 and the Van Allen Swarm. In these missions, the controllers demonstrate safe, -efficient, and computationally tractable swarm reconfiguration, enabling future swarming missions.

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