臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法及控制系统的制作方法
【专利摘要】臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法及控制系统，涉及工业自动化领域，解决了现有臂式空间天文望远镜惯性指向的控制方法存在的惯性指向控制精度低的问题。该控制系统包括控制器；与控制器电连接的望远镜惯性位置传感器；与控制器电连接且与旋转关节个数相等的关节位置传感器、电机驱动电路、电机电流传感器和关节惯性速度传感器；每个旋转关节上均固定有一个关节电机，同一个旋转关节上的关节电机和关节位置传感器之间为机械连接，每个关节电机分别与一个电机驱动电路和一个电机电流传感器电连接。依据臂式空间天文望远镜的动力学模型设计控制算法和完成非线性项的补偿，通过关节惯性速度传感器实现每个关节的闭环反馈，提高惯性指向控制精度。
【专利说明】臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法及控制系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工业自动化【技术领域】，具体涉及一种臂式空间天文望远镜的惯性指向 控制方法及控制系统。
【背景技术】
[0002] 空间天文望远镜搭载于卫星或飞船等空间飞行器上完成对宇宙天体的拍摄任务， 是天文学所需的一种极为重要的探测仪器。为实现高清晰天体成像，一般要求空间天文望 远镜具有较高精度的惯性指向能力。臂式空间天文望远镜一般包括空间天文望远镜2和臂 式机构，其中臂式机构由多个旋转关节4串联组成，臂式机构一端安装于空间飞行器1上， 另一端安装于空间天文望远镜2上。在臂式空间天文望远镜的天文观测过程中，通过控制 臂式机构的多个旋转关节4运动，从而使得空间天文望远镜2完成在惯性系下三个旋转自 由度方向（俯仰、横滚和偏航）的惯性指向。
[0003] 目前臂式空间天文望远镜惯性指向的控制方法主要是将每一个旋转自由度分别 按照互相之间无关联的单输入单输出线性控制系统来处理，采用古典控制理论中的频域分 析方法完成控制系统设计。上述的现有臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法存在以下 几方面会导致惯性指向控制精度下降的因素：
[0004] 1)由于臂式空间天文望远镜实质上是互相耦合的多输入多输出非线性控制系统， 设计控制系统时所参考的模型的不确切会导致惯性指向控制精度下降；
[0005] 2)由于现有方法很少考虑摩擦和执行器的非线性扰动等因素的影响，由于一般情 况下，臂式空间天文望远镜惯性指向系统多为低速控制系统，摩擦等非线性扰动会严重影 响惯性指向控制精度；
[0006] 3)现有方法的转速环不具有惯性稳定能力，因此对空间飞行器传递至空间天文望 远镜的振动抑制能力较弱，也将使得惯性指向控制精度下降。
[0007] 因此亟需一种能够针对互相耦合多输入多输出非线性系统、在摩擦等非线性扰动 以及空间飞行器振动影响下实现臂式空间天文望远镜高精度惯性指向的控制方法及控制 系统。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有臂式空间天文望远镜惯性指向的控制方法存在的惯性指向控制精 度低的问题，本发明提供一种臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法及控制系统。本发 明的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法可以削弱互相耦合多输入多输出非线性系 统、摩擦等非线性扰动以及空间飞行器振动对控制系统存在的不利影响，提高臂式空间天 文望远镜的惯性指向控制精度。
[0009] 本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0010] 本发明的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法，该方法是将臂式空间天文望 远镜的惯性指向控制系统安装在臂式空间天文望远镜和空间飞行器上，对臂式空间天文望 远镜的惯性指向进行自动控制，该方法的条件和步骤如下：
[0011] a、依据事先经过分析或试验得到的臂式空间天文望远镜的包含非线性因素的动 力学模型，采用反馈线性化方法，得到分别对应于每个旋转关节的单输入单输出线性化模 型和非线性补偿力矩；
[0012] b、依据每个旋转关节的单输入单输出线性化模型设计完成每个旋转关节的电流 环控制算法、速度环控制算法和位置环控制算法，将这三个控制算法和步骤a中得到的每 个旋转关节的非线性补偿力矩存储于控制器中；
[0013] c、控制器接收来自于空间飞行器的期望惯性姿态指令信号，包括俯仰、横滚和偏 航三个旋转自由度的期望角度值，望远镜惯性位置传感器实时测量空间天文望远镜光轴的 实际惯性姿态信号，采用卡尔曼滤波算法对空间天文望远镜光轴的实际惯性姿态信号进行 计算得到更加精确的惯性姿态信号，包括俯仰、横滚和偏航三个旋转自由度的角度值；
[0014] d、在控制器中将期望惯性姿态指令信号与精确的惯性姿态信号相减，即将俯仰、 横滚和偏航三个旋转自由度的期望角度值分别减去各自对应自由度的角度值，得到空间天 文望远镜光轴的惯性姿态误差；
[0015] e、每个关节位置传感器实时测量得到对应的关节电机的旋转角度信号，通过控制 器中的逆运动学计算模块以空间天文望远镜光轴的惯性姿态误差、关节电机的旋转角度信 号作为输入信号，经过旋转矩阵计算得到对应的旋转关节的关节角误差值；
[0016] f、在控制器中将旋转关节的关节角误差值作为该旋转关节的位置环控制算法的 控制输入，经过计算得到每个旋转关节速度环的控制输入；
[0017] g、每个关节惯性速度传感器实时测量得到对应的旋转关节相对于惯性系的角速 度信号，在控制器中将旋转关节速度环的控制输入减去对应于该旋转关节相对于惯性系的 角速度信号，得到每个旋转关节的惯性角速度误差值；
[0018] h、在控制器中将旋转关节的惯性角速度误差值作为该旋转关节的速度环控制算 法的控制输入，经过计算得到每个旋转关节电流环的第一个控制输入；
[0019] i、将步骤a中得到的旋转关节的非线性补偿力矩作为该旋转关节电流环的第二 个控制输入；
[0020] j、在控制器中将旋转关节电流环的第一个控制输入和第二控制输入相加得到该 旋转关节的电流环的总控制输入；
[0021] k、电机电流传感器实时测量得到每个关节电机的电流信号，每个旋转关节的电流 环的总控制输入减去对应于该旋转关节的关节电机的电流信号，得到每个旋转关节的电流 误差；
[0022] 1、在控制器中将旋转关节的电流误差作为该旋转关节的电流环控制算法的控制 输入，经过计算得到关节电机的输入电压值；
[0023] m、将关节电机的输入电压施加于电机驱动电路，电机驱动电路产生驱动电压信号 控制关节电机旋转，同时通过关节电机控制旋转关节旋转，从而带动空间天文望远镜运动 至期望惯性姿态。
[0024] 所述臂式空间天文望远镜的惯性指向控制系统，包括与空间飞行器电连接的控制 器；安装在空间天文望远镜上且与控制器电连接的望远镜惯性位置传感器；与控制器电连 接且与臂式空间天文望远镜中的旋转关节个数相等的关节位置传感器、电机驱动电路、电 机电流传感器和关节惯性速度传感器，每个旋转关节上对应固定一个关节位置传感器和一 个关节惯性速度传感器；
[0025] 每个旋转关节上均固定有一个关节电机，同一个旋转关节上的关节电机和关节位 置传感器之间为机械连接，每个关节电机分别与一个电机驱动电路和一个电机电流传感器 电连接；
[0026] 所述控制器接收空间飞行器的期望惯性姿态指令信号，接收由关节位置传感器测 量得到的关节电机的旋转角度信号，接收由电机电流传感器测量得到的关节电机的电流信 号，接收由关节惯性速度传感器测量得到的旋转关节相对于惯性系的角速度信号，接收由 望远镜惯性位置传感器测量得到的空间天文望远镜光轴的实际惯性姿态信号，通过控制器 对接收到的信号进行分析计算得到控制信号发送给电机驱动电路，所述电机驱动电路接收 控制信号后产生驱动电压信号控制关节电机旋转，同时通过关节电机控制旋转关节旋转， 从而带动空间天文望远镜运动至期望惯性姿态。
[0027] 当旋转关节的数量为三个时，步骤a的具体过程为：
[0028] 采用拉格朗日方法，通过分析计算建立臂式空间天文望远镜的动力学模型，如式 (1)所示：
[0029]
【权利要求】
1.臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法，其特征在于，该方法是将臂式空间天文 望远镜的惯性指向控制系统安装在臂式空间天文望远镜和空间飞行器（1)上，对臂式空间 天文望远镜的惯性指向进行自动控制，该方法的条件和步骤如下： a、 依据事先经过分析或试验得到的臂式空间天文望远镜的包含非线性因素的动力学 模型，采用反馈线性化方法，得到分别对应于每个旋转关节（4)的单输入单输出线性化模 型和非线性补偿力矩； b、 依据每个旋转关节（4)的单输入单输出线性化模型设计完成每个旋转关节（4)的电 流环控制算法、速度环控制算法和位置环控制算法，将这三个控制算法和步骤a中得到的 每个旋转关节（4)的非线性补偿力矩存储于控制器（3)中； c、 控制器（3)接收来自于空间飞行器（1)的期望惯性姿态指令信号，包括俯仰、横滚和 偏航三个旋转自由度的期望角度值，望远镜惯性位置传感器（10)实时测量空间天文望远 镜（2)光轴的实际惯性姿态信号，采用卡尔曼滤波算法（11)对空间天文望远镜（2)光轴的 实际惯性姿态信号进行计算得到更加精确的惯性姿态信号，包括俯仰、横滚和偏航三个旋 转自由度的角度值； d、 在控制器（3)中将期望惯性姿态指令信号与精确的惯性姿态信号相减，即将俯仰、 横滚和偏航三个旋转自由度的期望角度值分别减去各自对应自由度的角度值，得到空间天 文望远镜（2)光轴的惯性姿态误差； e、 每个关节位置传感器（6)实时测量得到对应的关节电机（5)的旋转角度信号，通过 控制器（3)中的逆运动学计算模块（12)以空间天文望远镜（2)光轴的惯性姿态误差、关节 电机（5)的旋转角度信号作为输入信号，经过旋转矩阵计算得到对应的旋转关节（4)的关 节角误差值； f、 在控制器（3)中将旋转关节（4)的关节角误差值作为该旋转关节（4)的位置环控制 算法（13)的控制输入，经过计算得到每个旋转关节（4)速度环的控制输入； g、 每个关节惯性速度传感器（9)实时测量得到对应的旋转关节（4)相对于惯性系的角 速度信号，在控制器（3)中将旋转关节（4)速度环的控制输入减去对应于该旋转关节（4) 相对于惯性系的角速度信号，得到每个旋转关节（4)的惯性角速度误差值； h、 在控制器（3)中将旋转关节（4)的惯性角速度误差值作为该旋转关节（4)的速度环 控制算法（14)的控制输入，经过计算得到每个旋转关节（4)电流环的第一个控制输入； i、 将步骤a中得到的旋转关节（4)的非线性补偿力矩作为该旋转关节（4)电流环的第 二个控制输入； j、 在控制器（3)中将旋转关节（4)电流环的第一个控制输入和第二控制输入相加得到 该旋转关节（4)的电流环的总控制输入； k、 电机电流传感器（8)实时测量得到每个关节电机（5)的电流信号，每个旋转关节（4) 的电流环的总控制输入减去对应于该旋转关节（4)的关节电机（5)的电流信号，得到每个 旋转关节（4)的电流误差； l、 在控制器（3)中将旋转关节（4)的电流误差作为该旋转关节（4)的电流环控制算法 (15)的控制输入，经过计算得到关节电机（5)的输入电压值； m、 将关节电机（5)的输入电压施加于电机驱动电路（7)，电机驱动电路（7)产生驱动电 压信号控制关节电机（5)旋转，同时通过关节电机（5)控制旋转关节（4)旋转，从而带动空 间天文望远镜（2)运动至期望惯性姿态。
2. 根据权利要求1所述的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法，其特征在于，所 述臂式空间天文望远镜的惯性指向控制系统，包括与空间飞行器（1)电连接的控制器（3); 安装在空间天文望远镜（2)上且与控制器（3)电连接的望远镜惯性位置传感器（10);与控 制器（3)电连接且与臂式空间天文望远镜中的旋转关节（4)个数相等的关节位置传感器 (6) 、电机驱动电路（7)、电机电流传感器（8)和关节惯性速度传感器（9)，每个旋转关节（4) 上对应固定一个关节位置传感器（6)和一个关节惯性速度传感器（9); 每个旋转关节（4)上均固定有一个关节电机（5)，同一个旋转关节（4)上的关节电机 (5)和关节位置传感器（6)之间为机械连接，每个关节电机（5)分别与一个电机驱动电路 (7) 和一个电机电流传感器⑶电连接； 所述控制器（3)接收空间飞行器（1)的期望惯性姿态指令信号，接收由关节位置传感 器（6)测量得到的关节电机（5)的旋转角度信号，接收由电机电流传感器（8)测量得到的 关节电机（5)的电流信号，接收由关节惯性速度传感器（9)测量得到的旋转关节（4)相对 于惯性系的角速度信号，接收由望远镜惯性位置传感器（10)测量得到的空间天文望远镜 (2)光轴的实际惯性姿态信号，通过控制器（3)对接收到的信号进行分析计算得到控制信 号发送给电机驱动电路（7)，所述电机驱动电路（7)接收控制信号后产生驱动电压信号控 制关节电机（5)旋转，同时通过关节电机（5)控制旋转关节（4)旋转，从而带动空间天文望 远镜（2)运动至期望惯性姿态。
3. 根据权利要求1所述的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法，其特征在于，当 旋转关节（4)的数量为三个时，步骤a的具体过程为： 采用拉格朗日方法，通过分析计算建立臂式空间天文望远镜的动力学模型，如式（1) 所示：
式（1)中：ezte:e2e3]T为3X1的列矩阵，表示臂式空间天文望远镜的三个关 节角；M(0)为3X3的惯量矩阵；为3X3的矩阵，表示离心和哥氏力项；T= [1\ T2T3]t为3X1的列矩阵，表示臂式空间天文望远镜的三个关节电机（5)的输出力矩；1\= [TuIY2TJt为3X1的列矩阵，表示臂式空间天文望远镜的三个非线性扰动力矩，采用 最小二乘方法通过系统辨识试验得到，&为0对时间t的一阶微分，#为0对时间t的二 阶微分； 依据上述得到的臂式空间天文望远镜的动力学模型，采用反馈线性化方法设计三个关 节电机（5)的输出力矩，如式⑵所示：
式⑵中，Ts=[TS1TS2TS3]t为3X1的列矩阵，表示需要计算的控制力矩，
将式⑵代入式⑴可得：
由此可知，臂式空间天文望远镜系统转化为一个线性系统。
4.根据权利要求1所述的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法，其特征在于，步 骤b的具体过程为： 关节电机（5)的简化数学模型如式（4)所示：
式⑷中，下标1表示第1个旋转关节⑷，U为关节电机（5)的输入电压，i为关节电 机（5)的电流，R为关节电机（5)的绕组电阻，L为关节电机（5)的绕组电感，KT为关节电机 (5)的力矩系数，电流环设计为PI控制器，电流环控制算法（15)为PI控制算法，如式（5) 所示：
式（5)中，下标1表示第1个旋转关节⑷，id表示电流环控制算法的输入值，KPjPKn 分别为电流环控制算法的比例系数和积分系数，关节电机（5)在电流环设计为较高带宽闭 环系统时，由于速度环带宽较低，对于速度环的设计，电流环闭环系统可以简化为一个增益 为1的比例环节，即I\=KT1idl; 由此可知，电流环控制算法的输入值为：
"为非线性补偿力矩，第二项"Mn(e)Tsl/Kn"为速度环控制算法的输出值，依据式（6)可以 消除非线性的影响； 速度环控制算法如式（7)所示：
式（7)中，KV1、TV1和TV2均为可调整的参数，可以依据开环和闭环幅频特性曲线进行合 理调整，以保证静态和动态特性； 位置环控制算法采用一阶滞后-超前校正方法，如式（8)所示：
式（8)中，Kp1、TpJPTP2均为可调整的参数，可以依据开环和闭环幅频特性曲线进行合 理调整，以保证静态和动态特性。
5. 用于实现权利要求1所述的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制方法的控制系统， 其特征在于，该系统包括： 与空间飞行器（1)电连接的控制器（3);安装在空间天文望远镜（2)上且与控制器（3) 电连接的望远镜惯性位置传感器（10);与控制器（3)电连接且与臂式空间天文望远镜中的 旋转关节（4)个数相等的关节位置传感器（6)、电机驱动电路（7)、电机电流传感器（8)和 关节惯性速度传感器（9)，每个旋转关节（4)上对应固定一个关节位置传感器（6)和一个关 节惯性速度传感器（9); 每个旋转关节（4)上均固定有一个关节电机（5)，同一个旋转关节（4)上的关节电机 (5)和关节位置传感器（6)之间为机械连接，每个关节电机（5)分别与一个电机驱动电路 (7)和一个电机电流传感器⑶电连接； 所述控制器（3)接收空间飞行器（1)的期望惯性姿态指令信号，接收由关节位置传感 器（6)测量得到的关节电机（5)的旋转角度信号，接收由电机电流传感器（8)测量得到的 关节电机（5)的电流信号，接收由关节惯性速度传感器（9)测量得到的旋转关节（4)相对 于惯性系的角速度信号，接收由望远镜惯性位置传感器（10)测量得到的空间天文望远镜 (2)光轴的实际惯性姿态信号，通过控制器（3)对接收到的信号进行分析计算得到控制信 号发送给电机驱动电路（7)，所述电机驱动电路（7)接收控制信号后产生驱动电压信号控 制关节电机（5)旋转，同时通过关节电机（5)控制旋转关节（4)旋转，从而带动空间天文望 远镜（2)运动至期望惯性姿态。
6. 根据权利要求5所述的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制系统，其特征在于，所 述控制器（3)采用以DSP和FPGA为核心处理器的控制电路板。
7. 根据权利要求5所述的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制系统，其特征在于，所 述关节电机（5)采用直流力矩电机；所述关节位置传感器（6)采用绝对式光电编码器。
8. 根据权利要求5所述的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制系统，其特征在于，所 述电机驱动电路（7)采用集成PWM和H桥的电机驱动电路板。
9. 根据权利要求5所述的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制系统，其特征在于，所 述电机电流传感器（8)采用霍尔电流传感器；所述关节惯性速度传感器（9)采用光纤陀螺。
10. 根据权利要求5所述的臂式空间天文望远镜的惯性指向控制系统，其特征在于，所 述望远镜惯性位置传感器（10)采用星敏感器和光纤陀螺组成的组合惯导系统。
【文档编号】G05B19/19GK104483899SQ201410641627
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】曹小涛, 王栋, 刘南南, 杨维帆 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所