小天體是指太陽系中除了行星和衛(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系同步進行的，較好地保留了太陽系形成初期的物質(zhì)。受空間太陽光壓和大行星引力等影響，當運行軌道發(fā)生改變，小天體可能會接近地球甚至發(fā)生撞擊，因此開展對小天體的探測和深入研究具有重要的理論意義和實際應用價值。
　　小天體距離地球較遠，具有尺寸小、引力較弱及自旋等特點，探測器在繞飛、接近和著陸小天體過程中還會受到太陽光壓、第三體引力等空間多種攝動力影響。所以探測器在小天體附近的動力學模型呈現(xiàn)顯著非線性，不確定性和擾動加深了其動力學環(huán)境的復雜性。因此，具有典型非線性特性的小天體附近探測器運動的自主制導與控制技術是整個探測技術的關鍵。相比于月球等較大天體，小天體附近探測器運動的制導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題。比如小天體附近探測器所受到的不規(guī)則弱引力的處理和描述問題，探測器在小天體附近運動的軌道控制、姿態(tài)調(diào)整和姿軌耦合控制問題。探測器在小天體附近受到的系統(tǒng)不確定性和空間擾動增加了系統(tǒng)動力學分析及控制的復雜性，具有魯棒性和自適應性的控制方法是保證探測器成功繞飛、下降和軟著陸的關鍵技術。從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，對于小天體附近探測器運動系統(tǒng)，很多學者從航天領域出發(fā)研究導航、軌道機動和設計、基于相對運動模型的軌道控制設計。然而探究探測器在小天體附近繞飛及下降著陸過程中的姿態(tài)和軌道耦合控制也是必要的，控制器設計過程中的自主性、魯棒性和自適應性也是研究的重點問題。
　　本書針對存在模型不確定性和外界干擾時小天體附近探測器運動的軌道和姿態(tài)控制問題，進行了深入、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，對小天體探測及小天體附近探測器運動的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及研究的關鍵問題進行了綜述。
　　2.利用牛頓運動定律和相對微分原理，推導出小天體固連坐標系下探測器下降過程軌道動力學模型；在此基礎上，基于坐標變換思想推導出著陸點坐標系下探測器著陸過程軌道動力學模型：根據(jù)剛體復合運動關系和歐拉一牛頓法詳細推導了探測器在自旋小天體附近運動的姿態(tài)運動學和動力學模型；最后根據(jù)執(zhí)行機構的安裝方式不同，得到了探測器在最終著陸段的兩種姿軌耦合動力學模型表述方法。
　　3.針對探測器在小天體附近運動過程中遇到的系統(tǒng)不確定性和外界干擾及對探測器下降著陸過程安全性、準確性的要求，研究了探測器動力下降段和最終著陸段的軌道控制方法。首先，參考Apollo登月任務設計燃料次最優(yōu)多項式制導軌跡。其次，基于一類軌跡跟蹤控制思想，針對探測器在小天體附近下降過程中遇到的不確定性和擾動，利用李雅普諾夫函數(shù)提出了帶有補償項的終端滑�？刂破�，采用自適應律估計系統(tǒng)不確定性和外界擾動上界的未知參數(shù)，使探測器在有限時間內(nèi)跟蹤期望制導軌跡到達天體表面某一高度，并具有全局魯棒性。最后，考慮到探測器在小天體附近最終著陸時遇到的外界干擾并保證著陸過程的安全性，基于動態(tài)平面控制思想，結合傳統(tǒng)的反演技術，設計魯棒跟蹤控制策略，使得探測器的位置和速度達到期望軌跡，安全降落到著陸點附近，并使控制算法簡單快速。
　　4.探測器繞飛過程中要對目標天體進行形狀和參數(shù)的觀測，但是小天體不規(guī)則引力、天體自旋、空間不確定性和擾動的影響可能會破壞探測器的繞飛過程從而導致探測任務失敗，針對以上問題研究了探測器繞飛自旋小天體的姿態(tài)控制問題。首先，以簡化的探測器姿態(tài)動力學模型為對象，分析了探測器在小天體附近繞飛過程中的三維姿態(tài)運動與轉動慣量和軌道半徑等參數(shù)的關系，應用赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)得到探測器繞飛的穩(wěn)定條件。其次，考慮天體自旋、空間不確定性和干擾力矩，設計了魯棒反演滑模姿態(tài)跟蹤控制律，采用自適應更新律估計未知擾動的上界，使探測器三軸姿態(tài)歐拉角達到期望值，實現(xiàn)穩(wěn)定繞飛。
　　5.針對傳統(tǒng)滑�？刂拼嬖诘亩墩窈吞綔y器動力下降段對姿態(tài)調(diào)整的要求，研究了探測器動力下降過程的姿態(tài)控制問題。首先，給出動態(tài)滑模的定義和任意階動態(tài)滑模的設計步驟及思想。其次，設計雙環(huán)滑模控制器，其中外環(huán)回路采用二階動態(tài)滑模，而內(nèi)環(huán)回路采用一階動態(tài)滑模，利用控制器的積分項消除了抖振：并采用自適應律在線估計復合干擾的上界，有效抑制其影響，實現(xiàn)姿態(tài)角的穩(wěn)定跟蹤。最后，針對探測器可能受到的較強干擾影響，設計雙環(huán)滑�？刂破鳎�采用非線性干擾觀測器在線觀測內(nèi)環(huán)回路受到的外界擾動，對于干擾觀測器的估計誤差，采用自適應律在線獲得上界并設計補償項，保證系統(tǒng)的魯棒性。
　　6.為了保證探測器準確、安全地最終到達小天體表面附近，探測器運動的位置和姿態(tài)需要快速地同時滿足高精度的控制要求，針對以上問題研究了探測器軟著陸過程中的姿軌耦合控制問題。首先，考慮執(zhí)行機構配置方案能夠保證有足夠的控制維數(shù)提供相對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)不確定性和擾動引起的部分模型，并采用自適應律在線更新模糊系統(tǒng)的最優(yōu)逼近參數(shù)，使探測器位置和姿態(tài)同時跟蹤期望的軌跡，并保證系統(tǒng)的魯棒性。其次，為實現(xiàn)快速的軌道機動，往往在探測器本體上僅配置一臺大推力軌道發(fā)動機。針對這種執(zhí)行機構配置方案所引起的控制器設計中存在的非線性問題，結合反演思想和三角函數(shù)變換方法，并考慮系統(tǒng)受到外界擾動影響，提出了魯棒姿軌耦合控制律，保證探測器在最終著陸時相對著陸點的位姿為期望值。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)的滑模控制器，用于快速跟蹤直流微電網(wǎng)中的功率干擾，對系統(tǒng)參數(shù)變化和外部干擾具有良好的魯棒性。
　　最后，總結本書的內(nèi)容，并結合筆者在小天體自主制導和控制、魯棒控制和自適應控制等方面的研究心得，做出了對未來的研究展望和下一步的工作計劃。
　　本書由梁春輝副教授撰寫。本書在撰寫過程中，得到了部分研究生的支持和協(xié)助，他們校對了全書并繪制了部分插圖。
　　對于書中存在的疏漏和不足之處，懇請廣大讀者不吝指正。