一种基于磁悬浮控制敏感陀螺构型的姿态角速度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于磁悬浮控制敏感陀螺构型的姿态角速度测量方法，适用于航 天器的高精度姿态角速度测量和姿态控制。 技术背景
[0002] 传统姿控系统的检测和控制是分离的，整个姿态控制系统是一个单闭环的结构， 必然存在"木桶短板"效应，即如果姿控系统的一个部件的精度和带宽有限，整个姿态控制 系统的控制精度和带宽也就有限；此外，检测与控制分离，也就是测控不共位，再加上卫星 本身是挠性的，这就必然导致异位控制问题，从而影响整星的稳定性和鲁棒性。为了解决这 个问题，郑世强通过双框架磁悬浮控制力矩陀螺，将力矩执行和姿态测量结合起来，但此研 宄将测量和控制分时复用，磁悬浮控制力矩陀螺某一时刻只能工作在一种状态，测量和控 制未能同时进行；刘彬提出了一种磁悬浮陀螺飞轮的设计方案，磁悬浮陀螺飞轮虽然控制 和测量可以同时进行，但这种方法并没有得到三轴姿态角速度的解析表达式，不仅实用性 不强，而且不便于从机理上分析姿态角速度与系统参数之间的关系。
[0003] 磁悬浮控制敏感陀螺是一种融合了角速率陀螺速率检测和惯性执行机构力矩输 出双重功能，集姿态敏感与控制、振动检测与抑制于一体的多功能新概念机构。
[0004] 正是由于磁悬浮控制敏感陀螺的引入，一改现有姿控系统的大闭环结构，将其拓 扑为三闭环姿控结构。各环针对不同的被控对象，以不同的控制带宽，分别对平台姿态、平 台振动和陀螺自身振动，进行三环融合控制。突破了现有单闭环姿态系统，控制稳定度有 限，无法进行主动振动控制的局限，使航天器的高稳定度和超静控制成为可能。
[0005] 理论上，单个磁悬浮控制敏感陀螺就具有两个自由度的姿态角速率测量能力，但 与传统的敏感陀螺仪一样，在解算中由于忽略了二阶小项，不可避免地存在系统测量误差。 为了解决这个问题，本专利提出了一种基于磁悬浮控制敏感陀螺构型的高精度测量方法， 避免了常规陀螺忽略高阶二次项和部分耦合项的原理缺陷，为实现航天器的高精度高稳定 度控制奠定了基础。
【发明内容】
[0006] 本发明的技术解决问题是：提出了一种基于磁悬浮控制敏感陀螺金字塔构型的高 精度姿态角速度测量方法，与常规方法相比，该方法避免了常规陀螺忽略高阶二次项和部 分耦合项的原理缺陷，具有更高的姿态角速度测量精度，而且实现姿态角速度测量和控制 的同步进行，为航天器的姿态角速度测量与控制提供了一种新的技术途径。
[0007] 本发明的技术解决方案是：根据刚体运动的欧拉动力学原理建立磁悬浮转子动力 学方程；根据电流和位移的直接测量，计算得到磁悬浮转子所受的电磁力矩以及偏转力矩， 进而间接得到由于航天器转动导致的对磁悬浮转子的干扰力矩；建立干扰力矩与航天器姿 态角速度、角加速度的关系，利用四棱锥金字塔构型中4个转子的八个干扰力矩分量信息， 解算得到航天器的姿态角速度以及角加速度。具体包括以下步骤：
[0008] (1)根据刚体运动的欧拉动力学原理建立磁悬浮转子动力学方程为：
[0009]
【主权项】
1. 一种基于磁悬浮控制敏感陀螺构型的姿态角速度测量方法，其特征在于：根据磁悬 浮转子动力学模型，建立了磁轴承力矩与干扰力矩之间的关联关系，通过磁轴承电流和转 子位移的检测间接得到干扰力矩；建立了单个陀螺所受干扰力矩与航天器姿态角速度的关 系，给出了多个陀螺所受干扰力矩与航天器姿态角速度、姿态角加速度的解析关系，利用金 字塔构型中四个磁悬浮控制敏感陀螺所得的八个干扰力矩信息，实现对姿态角速度以及角 加速度的高精度解算；四个磁悬浮控制敏感陀螺采用整星动量矩为零的金字塔构型安装方 式，以偏置动量轮的工作模式实现航天器姿态的高精度控制。具体包括以下步骤： (1) 建立磁悬浮转子动力学模型为：
式中，表示在转子系下转子的角动量，I表示转子绕磁悬浮控制敏感陀螺参考坐标系 旋转的转动惯量，?表示转子径向转动惯量，Iz表示转子轴向转动惯量，D1表示转子的绝 对角速度，< 表示转子坐标系的绝对角速度，即相对于惯性空间的转速，吟表示转子相对 磁轴承的偏转速度，为安装系相对于惯性空间的速度，为磁轴承坐标系到转子坐标 系的变换矩阵，为安装系到磁轴承坐标系的变换矩阵，^、&和#为安装系相对于惯性空 间的角速度； (2) 建立转子所受力矩的表达式 根据转子动力学方程，转子所受电磁力矩#可分解为两部分：
又转子径向所受电磁力矩也可以表示为：
磁悬浮转子所受磁力可表示成如下线性形式： f入=ki人i人 +khAh人(入=ax，ay，bx，by) 转子偏转力矩的表达式为：
a= (hay-hby)/(21m)，0= (hax-hj/(21m) 式中，kiX和khX (A=ax，ay，bx，by)分别表示磁悬浮转子的径向ax、ay、bx和by通 道的电流刚度和位移刚度；iax、ibx、iay和iby是四个径向通道的绕组电流，hax、hbx、hay和hby 是磁悬浮转子分别在ax、bx、ay和by方向上的线性位移量，lm表示从磁悬浮转子中心到径 向磁轴承中心的距离。表示转子偏转力矩，表示航天器转动引起的等效干扰力矩。 需要特别说明的是1、1^、1^、\可以通过电涡流位移传感器测量，可以计算得到转子偏转 力矩M(。在#的表达式中减去M(并经过简化，可得出航天器转动情况下等效干扰力矩ML 的表达式为：
(3) 建立单个转子所受力矩与航天器角速度关系 磁悬浮转子干扰力矩的径向分量表达式为：
把安装系下的角速度和角加速度替换为航天器体系下的姿态角速度和角加速度，磁悬 浮转子干扰力矩的径向分量表达式为：
式中，Hnl=IZQ，〇为女装角； (4) 基于金字塔构型得到航天器角速度的解析解 通过四棱锥金字塔构型中的四个磁悬浮控制敏感陀螺，可以得到关于干扰力矩的八个 分量信息，分别为： 转子1:
上述表达式建立了干扰力矩和航天器角速度、角加速度的联系，写成矩阵的形式为：
进而通过F的伪逆乘以干扰力矩可得航天器角速度、角加速度；由上述表达式可见，由 于未知量有六个，实际上只需三个转子的测量数据即可实现航天器角速度的解算。
【专利摘要】本发明涉及一种基于磁悬浮控制敏感陀螺构型的姿态角速度测量方法，根据磁悬浮转子跟随航天器姿态运动的动力学模型，高速转子运动状态的改变取决于它所受到的外部力矩，外部力矩包括磁轴承力矩以及干扰力矩，而干扰力矩与航天器的姿态角速度相关联；磁轴承力矩可以通过检测磁轴承电流和转子位移得到，进而通过磁轴承力矩与干扰力矩之间的平衡关系实现对航天器角速度的估计；利用金字塔构型中的四个磁悬浮控制敏感陀螺，能够提供有关磁力矩的八个测量信息，实现对姿态角速度以及角加速度的高精度解算。本发明在实现高精度角速度估计的同时还能确保磁悬浮控制敏感陀螺构型的姿态控制功能，实现高精度高稳定度的姿态控制。
【IPC分类】G01C21-20, G05D1-08, G01C21-18, G06F19-00
【公开号】CN104697525
【申请号】CN201510006195
【发明人】任元, 姚红, 王卫杰, 王平, 赵玉龙, 蔡远文, 张雅声, 汤亚锋
【申请人】中国人民解放军装备学院
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年1月6日