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9783540283737

Mécanique Céleste Et Contrôle Des Véhicules Spatiaux

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  • ISBN13:

    9783540283737

  • ISBN10:

    3540283730

  • Format: Paperback
  • Copyright: 2005-09-27
  • Publisher: Springer Verlag
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Summary

Le but de ce livre est de présenter les développements récents du contrôle géométrique orienté vers la commande (notamment optimale) des véhicules spatiaux. Il est principalement destiné aux étudiants de 3e cycle et aux chercheurs, et son contenu a servi de base à une série de cours de contrôle et d'automatique enseignés à des étudiants de 3e cycle. Il s'appuie sur des projets de recherche avec l'ESTEC et le CNES, sur le contrôle d'attitude d'un satellite, le problème de transfert orbital en temps minimal, et le problème de rentrée atmosphérique d'une navette spatiale. Une première partie est consacrée à une introduction à la mécanique céleste, et la seconde au contrôle des véhicules spatiaux. Un dernier chapitre concerne les méthodes numériques dites indirectes, développées à partir des études des auteurs: méthode de tir et algorithmes de calcul des points conjugués.

Table of Contents

Mécanique céleste
Géométrie symplectique et transformations canoniquesp. 3
Rappels d'algèbre extérieure et géométrie symplectique linéairep. 3
Formes exterieures de degré 2 et géométrie symplectique linéairep. 4
Groupe symplectiquep. 5
Représentation du groupep. 5
Groupe symplectique et champs de vecteurs Hamiltoniens linéairesp. 5
Notions d'algèbre linéaire symplectiquep. 7
Stabilité et stabilité structurellep. 10
Variétés symplectiques et champs de vecteurs Hamiltoniensp. 11
Notations et définitionsp. 11
Coordonnées de Darbouxp. 13
Relèevement symplectiquep. 14
Géométrie symplectique et calcul des variationsp. 14
Formule fondamentalep. 15
Conditions de transversalitép. 15
Equations de Hamiltonp. 16
Equation d'Hamilton-Jacobip. 17
Le principe du maximum de Pontriaguine dans sa version faiblep. 18
Transformations canoniquesp. 21
Notes et sourcesp. 25
Quelques propriétés des équations différentielles Hamiltoniennes: intégrabilitéet stabilitép. 27
Intégrabilitép. 27
Le théorème de redressement symplectiquep. 27
Le théorème de Noetherp. 28
La méthode d'intégration de Jacobip. 29
Un théorème d'intégrabilité dans le cas linéaire non autonomep. 31
Le théorème d'intégrabilité de Liouvillep. 32
Stabilité des états d'équilibre ; méthode directe de Liapunovp. 36
Le théorème de Lagrange-Dirichletp. 40
Formes normales de Poincaré-Dulacp. 41
Forme normale d'un systèeme Hamiltonien au voisinage d'un équilibrep. 43
Introduction à la théorie du KAM et à la stabilité des systèemes Hamiltoniensp. 45
Théeorie deFloquet- Lecas Hamiltonienp. 45
Application premier retour de Poincaré-le cas Hamiltonienp. 46
Le cas de dimension 4 ; application à la stabilitép. 47
Théorème KAM isoénergétiquep. 48
Théorème de stabilité d'Arnoldp. 49
Le théorème de récurrence de Poincarép. 49
Notes et sourcesp. 51
Introduction au problème des N corps ; les cas N = 2 et N = 3p. 53
Introduction au problème des N corpsp. 53
Les intéegrales premièeres classiquesp. 54
Conservation de l'impulsionp. 54
Conservation du moment cinétiquep. 55
Conservation de l'énergie cinétique, identité de Lagrange et inéegalité de Sundmanp. 55
Homogénéité et théorème de Virielp. 56
Le problèeme de deux corpsp. 58
Réduction au mouvement relatifp. 58
Réduction dans un référentiel lié au centre de massep. 59
Mouvement dans un champ centralp. 59
La loi des airesp. 60
Intégration des équationsp. 60
Le problème de Keplerp. 62
Le cas elliptiquep. 63
Le vocabulaire de la mécanique célestep. 64
Equation de Keplerp. 64
Introduction au problème des 3 corpsp. 64
Les travaux d'Euler, Lagrange dans le problème des 3 corpsp. 65
La notion de configuration centralep. 67
Solutions de Lagrangep. 69
Le théorème d'Euler-Moultonp. 70
Coordonnées de Jacobi pour le problème des 3 corpsp. 70
Le problème circulaire restreintp. 71
Introduction aux probleèmes des collisionsp. 74
Etude des collisions totalesp. 74
Preésentation heuristique de la régularisation des collisions doubles dans le problème des 3 corpsp. 75
Notes et sourcesp. 78
Recherche de trajectoires périodiquesp. 79
Construction de trajectoires périodiques par la méthode de continuationp. 80
Le théorème du centre de Liapunov-Poincaré, dans le cas Hamiltonienp. 81
Application aux pointsde librationp. 82
Deux applications de la méthode de continuation en mécanique célestep. 82
Orbites de Poincarép. 82
Orbites de Hillp. 83
Solutions périodiques et principe de moindre actionp. 85
Méthode directe en calcul des variationsp. 85
Préliminairesp. 85
Equation d'Euler-Lagrange sur H1p. 87
Fonctions semi-continues inférieurement et fonctions convexesp. 87
La notion de potentiel fort et l'existence de trajectoires périodiques pour le problème des deux corpsp. 89
Trajectoires périodiques pour le problème des N corps avec l'hypothèse du potentiel fortp. 91
Le cas Newtonienp. 91
Solution périodique du problème des trois corps de masse égalep. 92
Description de l'orbite en huitp. 92
Géométrie du problème et sphère topologiquep. 93
Construction de la trajectoire en huitp. 95
Le concept de chorégraphiep. 97
Notesetsourcesp. 98
Contrôle des véhicules spatiaux
Contrôle d'attitude d'un satellite rigidep. 103
Contrôlabilité des systèmes avec des contrôles constants par morceauxp. 103
Contrôlabilité d'un satellite rigide gouverné par des rétro-fusées 107
Equations du mouvementp. 107
Le problème du choix de la représentationp. 109
Propriétés des trajectoires de la partie librep. 111
Conditions nécessaires et suffisantes de contrôlabilité du satellite rigidep. 113
Construction géométrique d'une loi de commandep. 115
Locale contrôlabilitép. 116
Contrôle d'attitude à l'aide de rotations successivesp. 118
Notes et sourcesp. 120
Transfert orbitalp. 121
Introductionp. 121
Modélisation du problèmep. 122
Intégrale première de Laplace et intégration des équations de Keplerp. 122
Paramètres orbitauxp. 125
Décomposition de la pousséep. 125
Méthode de variation des constantesp. 126
Représentation du systèeme dans les coordonnées équinoxialesp. 127
Coordonneées en rotationp. 129
Le problème de contrôlabilitép. 129
Préliminairesp. 129
La structure de l'algèbre de Lie du systèmep. 130
Les politiques de commande géométriquep. 132
Transfert d'orbite par la méthode de stabilisationp. 133
Ensemble ¿-limite et théorème de stabilité de LaSallep. 134
Stabilisation des systèmes non linéaires via le théorème de LaSalle : la méthode de Jurdjevic-Quinnp. 135
Démonstration de stabilité asymptotique locale de l'orbite (cT, LT) par la méthode de LaSallep. 136
Stabilité globalep. 137
Le principe du maximum et les conditions de transversaliteép. 137
Principe du maximum et problème sous-Riemannien avec dérivep. 139
Calcul générique des extrémalesp. 139
Extrémales brisées et extrémales singulièresp. 140
La ¿-singularité et son modèle nilpotentp. 140
Application à la dimension 4p. 142
Conditions d'optimalité du second ordre. Points conjugués et points focauxp. 148
Préliminairesp. 148
Application au transfert orbital planp. 149
Notes et sourcesp. 150
Principe du maximum de Pontriaguinep. 153
Le principe du maximum de Pontriaguinep. 154
Enoncép. 154
Preuve du principe du maximump. 155
Généralisations du principe du maximump. 165
Principe du maximum avec contraintes sur l'étatp. 169
Les travaux de Weierstrass (1879)p. 169
Méthode des multiplicateurs de Lagrange et théorème de Kuhn-Tuckerp. 174
Le cas affine et le principe du maximum de Maurerp. 183
Classification locale des syntheses temps minimales pour les problèmes avec contraintesp. 187
Notes et sourcesp. 195
Le contrôle de l'arc atmosphériquep. 197
Modélisation du problème de rentrée atmosphériquep. 197
Présentation du projetp. 197
Modélisation du problèmep. 198
Les forcesp. 200
Les équations du systèmep. 201
Coordonnées Kepleriennesp. 201
Le problème de contrôle optimalp. 203
Stratégie d'Harpold et Gravesp. 204
Données numériquesp. 204
La notion de trajectoire équilibréep. 206
Réduction du problème, modèle simplifié en dimension troisp. 207
Contrôle optimal et stabilisation sur le modèle simplifié en dimension troisp. 208
Le problèmesanscontraintep. 209
Le problème avec contraintesur l'étatp. 213
Stabilisation autour de la trajectoire nominalep. 214
Contrôle optimal du probleème completp. 220
Extrémales du problèeme non contraintp. 220
Construction d'une trajectoire quasi-optimalep. 224
Notes et sourcesp. 228
Méthodes numériques en contrôle optimalp. 229
Introductionp. 229
Méthodes du premier ordre : tir simple, tir multiplep. 230
Préliminairesp. 230
Méthode de tir simplep. 231
Méthode de tir multiplep. 232
Quelques remarquesp. 235
Méthode de continuationp. 236
Application au problème du transfert orbital planp. 239
Application au problème de rentrée atmosphériquep. 244
Méthodes du second ordre : théorie des points conjuguésp. 247
Rappels sur les variétés Lagrangiennes - Equation de Jacobip. 247
Méthodes de calcul des temps conjuguésp. 249
Temps conjugués en contrôle optimalp. 250
Application au problèeme du transfert orbitalp. 260
Temps conjugués pour des systèmes de contrôle affinesp. 261
Référencesp. 269
Indexp. 273
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