一种变速控制力矩陀螺群的精准敏捷操纵方法
【专利摘要】本发明公开了一种变速控制力矩陀螺群的精准敏捷操纵方法，本发明充分利用VSCMG转子转速可变的条件，通过按照姿态控制任务所需力矩大小将VSCMG的工作模式划分为CMG/MW混合工作模式和独立MW工作模式，通过两种工作模式的合理切换，使一套VSCMG在无需配置额外执行机构的情况下，不但能实现提供姿态机动控制等任务的大力矩要求，又能提供姿态稳定控制任务的高精度小力矩的要求，很好的解决了单独利用一套SGCMG或一套MW进行航天器姿态控制时无法完全解决的问题。
【专利说明】一种变速控制力矩陀螺群的精准敏捷操纵方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种变速控制力矩陀螺群的精准敏捷操纵方法，尤其涉及一种以变速控制力矩陀螺群为执行机构的操纵律设计方法，属于航天器姿态控制系统设计【技术领域】。
【背景技术】
[0002]为了使搭载于航天器上的有效载荷能够顺利完成工作任务，航天器平台本身首先应满足一定的姿态指向要求，为此，现代航天器一般都采用一定的执行机构提供力矩输出来进行主动姿态控制。航天器主动姿态控制的执行机构主要有喷气推力器和动量交换装置两类，前者由于需要消耗星上的不可再生能源而使其使用受到较大限制，后者使用星上通过太阳能转换可不断获取的电能来工作，因而从工作能源角度来讲相对具有优势。角动量交换装置的工作原理建立在角动量守恒的基础上，当其角动量的大小或者方向按一定规律变化时，将产生连续的反作用力矩作用在航天器本体上，从而达到控制航天器姿态的目的，航天器上作为姿态控制执行机构的角动量装置一般包括动量轮(Momentum Wheel,以下简称丽)和控制力矩陀螺(Control Moment Gyro,以下简称CMG)两种。丽提供控制力矩输出的原理是控制其转速大小的变化从而使角动量大小产生变化，输出的力矩大小正比于其转速大小变化率，受限于现今伺服控制技术的状况，MW转速变化率是有限的，结果导致常规航天器上MW的力矩输出量级约为0.1Nms左右，因此，MW在要求大的控制力矩输出的场合无法采用。控制力矩陀螺最常用的形式是单框架控制力矩陀螺(Single Gimbal ControlMoment Gyro，以下简称SGCMG)。相比于MW通过改变转子转速大小来实现力矩输出的工作原理来讲，SGCMG提供力矩输出的工作原理是改变其转子转速的方向，从而导致角动量的方向发生改变进而产生力矩输出，而具体改变转子转速方向的方法则是通过旋转安装转子的框架来达到。与改变转子转速大小的MW相比，改变转子转速方向的SGCMG具有优良的力矩放大效应，其力矩输出量级一般可达到IONms甚至lOONms，因而在航天器姿态机动或大型航天器姿态控制等需要大力矩输出的场合受到了极大的关注。
[0003]然而，SGCMG在提供大力矩输出的同时，也面临两方面的主要问题:一是奇异构型的问题。正常工作的航天器姿态控制系统要求其每一时刻均具有在三维空间中任意方向输出力矩的能力。分析单个SGCMG通过改变转子转速方向来提供力矩输出的工作原理可知，其输出力矩的方向为沿着同时垂直于转子转轴和框架转轴的方向，从航天器内部来看，可以认为框架转轴的方向是保持不变的，但是，转子转轴的方向会随着框架的转动而不断变化，因此，最终导致SGCMG力矩输出的方向也是不断相应变化的。这种力矩输出方向的变化性有可能导致某一时刻下，SGCMG群的所有力矩输出方向共面甚至共轴，即只能在该面或该轴上进行力矩输出，失去了完整的三维空间任意方向力矩输出的能力，这种现象就称为SGCMG群陷入了奇异构型，是航天器姿态控制过程中必须尽力避免的。第二个问题是SGCMG的力矩输出精度问题。由于SGCMG具有力矩放大效应，因此，SGCMG框架转动和转子转动的伺服控制误差也会被放大，最终体现在力矩输出误差上，框架转速或转子转速上较小的伺服控制误差即会产生相对较大的力矩输出误差。框架转速伺服控制的死区特性是导致力矩误差的另一个因素。当今的伺服技术对于转动运动的伺服控制存在着死区问题，即当转速非常低，例如非大型航天器在作姿态稳定控制等需要小力矩输出的场合下，其框架转速就经常处于较低的转速状态，当转速低至某一阈值之内时，转速控制的误差会急剧增大，导致控制效果很差，这一转速误差再经过SGCMG放大效应的传递，最后常会导致更大的不可接受的力矩输出误差，这一转速阈值之内的范围就称为转速死区，它也是导致SGCMG力矩输出误差的重要因素之一。
[0004]已有的文献或专利针对SGCMG的上述两个问题存在着一些相应的解决策略。添加零运动方法是解决SGCMG奇异构型问题的主要方法，并且是一种不引入力矩误差的精确方法。专利200810222230.7对此方法针对转子转速保持不变的SGCMG (即Constant SpeedControl Moment Gyro，以下简称CSCMG)进行了详细描述。该方法的基本原理是:由于CSCMG群一般均具有四个或以上的CMG，因此其控制自由度是超出三维的力矩输出自由度的，于是CSCMG群在保证指令力矩输出的同时，还总是存在着所有CSCMG的框架转速不全部为零但其总输出力矩为零的空转运动，即零运动，并且该零运动有无穷多组，可以通过选取参数进行设计。添加零运动方法就是通过选取适当的零运动参数，使CSCMG群总是朝着远离奇异构型的趋势运动，从而避免整体陷入奇异的情形。
[0005]对于SGCMG的力矩输出误差问题，专利200910093791.6从避奇异的伪逆操纵律的角度出发提出了一种思路。SGCMG伪逆操纵律通过引入力矩误差的方式来实现奇异回避，其本身就是一种通过牺牲部分力矩输出精度即增大力矩输出误差的方式来完成奇异回避的功能，为此，该专利提出的策略是灵活调整所引入力矩误差的大小，即在SGCMG远离奇异构型的状态下不引入力矩误差，在接近奇异构型时依据接近程度逐步增大引入的力矩误差。总的来看，这种方法只是在SGCMG接近奇异构型时有一定的效果，并且这种效果体现在努力减小之前为了解决奇异问题而引入的误差方面，如果解决奇异问题时不需要引入力矩误差，那么这一方法就没有适用性。该方法对于前面分析的SGCMG由于力矩放大特性和转速死区特性所导致的力矩误差不能适用。专利201310007615.2提出了一种同时使用SGCMG和MW的混合执行机构，该方法的优点是既能够满足大力矩输出又能够满足高精度小力矩输出的控制要求，但它的一个显著缺点是相比于仅用SGCMG群的方式来讲额外增加了执行机构，提高了星载负荷及其它相应而来的设计任务。
[0006]常规SGCMG的形式一般均为保持其转子转速不变的CSCMG，直至在1997年的AAS/AIAA的飞行力学专业会议上，Ford等人以“框架动量轮”的形式首次提出转子转速可变的变速 SGCMG，可称为 VSCMG (Variable Speed Control Moment Gyro)。当前对于 VSCMG 的研究大多类似于CSCMG的情况，较多的精力都集中于关注如何回避奇异构型的问题。
【发明内容】
[0007]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供一种变速控制力矩陀螺群的精准敏捷操纵方法，不但能实现提供姿态机动控制等任务的大力矩要求，又能提供姿态稳定控制任务的高精度小力矩的要求。
[0008]本发明的技术解决方案是:一种变速控制力矩陀螺群的精准敏捷操纵方法，步骤如下:
[0009]( I)根据航天器所需力矩T。大小，地面发送遥控指令控制变速控制力矩陀螺群工作在不同模式:当航天器需要进行姿态机动时，地面发送遥控指令控制变速控制力矩陀螺的框架和转子均正常运动，进入变速控制力矩陀螺和动量轮联合工作模式，执行步骤(2);当航天器姿态机动完成后进入姿态稳定状态时，地面发送遥控指令或航天器自动控制锁死变速控制力矩陀螺的框架运动，仅保持转子运动，进入动量轮独立工作模式，执行步骤(3)；
[0010](2)在变速控制力矩陀螺和动量轮联合工作模式下，计算力矩方程Tc=-Qx的加权伪逆特解Xt和零运动解XN，用动量轮独立工作模式的力矩补偿功能进行框架转速的死区非线性处理,具体方法如下:
[0011](2.1)根据力矩方程Tc=-Qx计算基于奇异度量的加权伪逆操纵律χτ， f
【权利要求】
1.一种变速控制力矩陀螺群的精准敏捷操纵方法，其特征在于步骤如下: (1)根据航天器所需力矩T。大小，地面发送遥控指令控制变速控制力矩陀螺群工作在不同模式:当航天器需要进行姿态机动时，地面发送遥控指令控制变速控制力矩陀螺的框架和转子均正常运动，进入变速控制力矩陀螺和动量轮联合工作模式，执行步骤(2);当航天器姿态机动完成后进入姿态稳定状态时，地面发送遥控指令或航天器自动控制锁死变速控制力矩陀螺的框架运动，仅保持转子运动，进入动量轮独立工作模式，执行步骤(3)； (2)在变速控制力矩陀螺和动量轮联合工作模式下，计算力矩方程Tc=-Qx的加权伪逆特解xT和零运动解xN，用动量轮独立工作模式的力矩补偿功能进行框架转速的死区非线性处理，具体方法如下: (2.1)根据力矩方程
2.根据权利要求1所述的一种变速控制力矩陀螺群的精准敏捷操纵方法，其特征在于:根据Lyapunov直接法设计参数d，使之满足奇异回避和转子转速平衡；定义当前框架
角位置δ和转子角速率Ω与其各自的期望值Sf、Qf的偏差为
【文档编号】G05B13/04GK103592848SQ201310547911
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】汤亮, 王大轶, 何英姿, 黄兴宏, 魏春岭 申请人:北京控制工程研究所