一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方法，属于飞行器控制领 域。
【背景技术】
[0002] 推力器是各类飞行器上常采用的执行机构，为了保证飞行器高可靠性和高机动 性，常采用冗余配置系统，使得期望控制量到推力器控制指令的分配方案不唯一。这就需要 在控制系统中引入控制分配环节来完成期望控制量在冗余推力器间的分配，使推力器的实 际输出与期望量尽可能一致。
[0003] 控制分配方法是由控制算法给出的期望控制量出发，在各类型约束条件和最优目 标下，将期望控制量在冗余配置的执行机构间进行分配，使得执行机构实际控制输出尽可 能与期望控制量相吻合的一种控制设计技术，具有控制分配环节的航天器控制系统框图如 图1所示。在控制律与执行机构之间引入控制分配环节，将传统的控制系统设计分为控制 算法设计和控制分配方法设计两部分，控制算法设计专注与控制律的设计而忽略执行机构 的影响，而控制算法的设计专门负责冗余执行机构的管理以及指令的分配工作，有效隔离 控制系统与执行机构之间的联系，能够提高系统对故障的容错能力，增强系统的鲁棒性。
[0004] 目前来看，解决推力器控制分配问题的算法主要可以分为两大类：动态的控制分 配方法和静态的控制分配方法。动态控制分配方法，包括广义逆法、线性规划方法、二次规 划算法，它主要是根据推力器模型、约束条件以及最优目标，将控制分配问题转化为数学模 型，并基于数学优化方法实现控制指令的实时分配，动态控制分配方法具有容错性能强、 鲁棒性好的特点，但需要进行实时优化求解，使得计算过程复杂，对星载计算机的要求高， 很难在实际工程上进行应用。而静态控制分配方法，这种方法根据卫星预先定义的机动和 控制模式确定出相应的推力器组合，并将其存储于星载计算机中，这种方法包括传统指令 直接分配方式以及基于推力器组合表的实时控制指令分配算法，传统指令直接分配方式是 根据解耦思想按控制指令各分量方向将推力器进行分组，通过对消的方式使得每个组合仅 在一个方向上产生作用，这种方法对消过多，推力器的使用率低，燃料浪费严重，无法满足 现代飞行器对高性能、低成本的要求，而近几年由欧空局提出的指令分配最优查表法，通过 在星载计算机中预存入最优推力器组合表，并通过在线查表确定出与期望控制量最吻合的 分配方案，国内学者王敏、解永春等人对该方法进行了研究，提出了一种代数方法制定最优 推力器组合列表，但是由于该方法建立的优化求解模型中没有考虑推力器的大小约束，使 得制定出的推力器组合中的推力器数目与期望控制指令的维数相同，限制了推力器的分配 空间，同时该代数方法是采用单纯形进行求解，计算过程复杂且繁琐，且在线查表时时基于 连续控制推力器模型得到，对采用开关控制模式的推力器模型适用性差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提出一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方法，以解决现有 最优查表法中离线制定推力器组合表复杂，确定的推力器列表的分配控制小，无法同时适 用于开关控制模式的推力器模型等问题。
[0006] 本发明为解决上述技术问题，提出一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方 法，所采用的技术方案主要包含以下步骤：
[0007] 步骤一、根据推力器安装构型，基于凸包确定最优推力器组合表；
[0008] 步骤二、由期望控制力矩T。，结合离线确定的预装定数据，利用法向量判定方法， 确定最优推力器组合；
[0009] 其中，预装定数据是指需要预先计算出来并存储在星载计算机中的数据。主要包 括：（1)最优推力器组合表；（2)各推力器组合围成多锥形体的锥面法向量；(3)各象限中 包含的推力器组合；(4)给出T。属于各最优推力器组合围成区域的内部时所应满足的条 件；
[0010] 步骤三、根据推力器是否能够输出连续大小的推力，将推力器工作模式分为连续 控制量输出模式以及离散开关控制模式，若为连续控制量输出模式，则转至步骤四，否则转 至步骤五；
[0011] 步骤四、推力器为连续控制量输出模式时，根据最优推力器组合所对应的控制效 率矩阵Ai，利用伪逆法确定各推力器的分配量，若超出推力输出能力范围，则利用其上下限 值进行修正；
[0012] 步骤五、推力器为全开和全关控制模式时，确定推力器组合中推力器的数目为n， 给出2"中可能的推力器开关状态组合，并计算2 "种不同开关状态组合下，推力器所能产生 的力矩，选择出分配误差最小所对应的开关状态；
[0013] 步骤一中基于凸包确定最优推力器组合表的具体步骤为：
[0014] 步骤a、由推力器的安装构型，确定各推力器产生的力矩（力）矢量集合为M;
[0015] 步骤b、将力矩（力）坐标矢量沿着与坐标轴平行的平面进行投影，确定各投影面 上的交点坐标；
[0016] (1)判断n个矢量的坐标矢量是否存在坐标为0的情况，当存在坐标为零的情况 时，对所有的坐标进行旋转变换直至不出现坐标为〇的情况；
[0017] (2)按照X轴，Y轴以及Z轴的分量是否大于零将坐标分为6组，分别为 Cx〇>Cxl,Cy0,Cyl,Cz0,Czl；
[0018] ⑶将 Cx。，Cxl，Cy。，Cyl，Cz。，C zl中的矢量分别沿平面 X = -1，X = 1，Y = -1，Y = 1，Z =-1，Z = 1六个平面进行投影，在各个平面形成的交点坐标集合为Bx。，Bxl，By。，B yl，Bz。，Bzl.
[0019] 步骤c、利用二维平面凸包确定的增量方法，确定二维平面上的最小凸包（以点集 Bzl为例），具体步骤如下：
[0020] (1)对于点集中的m个交点坐标t^，bybm，计算m个点与x轴正方向的夹角；
[0021] ⑵按照夹角从小到大依次排序，分别为buAfU
[0022] (3)判断各顶点的凹凸性，当各个顶点都为凸顶点时，则转至步骤7,否则转至步 骤4;
[0023] (4)将各个凹顶点依次存储至集合G中，以第一个凹顶点为基点，由与其相邻的两 个顶点构成的三角形作为初始最小凸包，并将该三个顶点从顶点集合中移除；
[0024] (5)判断顶点集合中是否还存在顶点，若存在，则转至步骤6,否则转至步骤7 ;
[0025] (6)按照步骤2中排好的顺序，依次增加顶点，同时将其从顶点集合中移除，确定 加入新的顶点后所形成的凸包，并判断其是否满足最小凸包条件（所有的顶点都构成凸包 的顶点），若满足最小凸包条件，则转至步骤5,否则转至步骤7 ;
[0026] (7)存储最小凸包，若顶点集合不存在顶点时，转至步骤8,否则以当前顶点为基 点，由与其相邻的两个顶点构成的三角形作为初始最小凸包，并将该三个顶点从顶点集合 中移除，转至步骤5;
[0027] (8)判断最后一个最小凸包与第一个最小凸包能否进行整合成新的凸包，若能则 将这两个凸包进行合并成新的最小凸包；
[0028] (9)输出各个最小凸包；
[0029] 步骤d、根据步骤c输出的各个最小凸包，确定构成凸包顶点的力矩矢量，与力矩 矢量相对应的推力器构成最优推力器列表中的一个组合，从而制定出推力器组合列表。
[0030] 步骤二中提及利用法向量判定方法确定最优推力器组合，其具体步骤为：
[0031] 步骤1、对于每个推力器组合，计算相邻两推力矢量所确定的n个平面的法向量 (离线计算）；
[0032] 步骤2、根据推力器组合中推力器力矩方向，确定其围成空间所在的象限；
[0033] 步骤3、确定各象限所包含的推力器组合，并利用法向量的方向，列出控制指令T。 属于该区域的内部时所应满足的点积的正负条件；
[0034] 步骤4、根据三维控制指令矢量T。确定其在三维空间所在的象限；
[0035] 步骤5、计算控制指令矢量T。与所在象限内各平面法向量的点积；
[0036] 步骤6、利用步骤3所确定的标准，快速判断出控制指令矢量T。所属的组合区域；
[0037] 在以上六个步骤中，前三个都是通过离线计算好预先存储在飞行器计算机中，属 于离线预装定数据确定的内容，在实际应用时，只需要通过后三个步骤进行判断。
[0038] 本发明所述的控制分配方法的主要实现过程为：根据推力器安装构型，基于凸包 确定最优推力器组合表；由期望控制力矩，结合离线确定出的预装定数据，利用法向量判定 方法，确定最优推力器组合；针对推力器工作模式的不同，采用不同的分配方案，当推力器 为连续控制量输出模式时，利用伪逆法进行求解，而当推力器为离散开关控制模式时，通过 确定所有可能的开关组合，选择出分配误差最小的分配方案。本发明所述的控制分配方法 分为离线计算和在线计算两部分。离线计算在系统初始化过程中确定在线计算所需的预装 定数据，主要负责制定最优推力器列表。而在线计算是在系统给出期望控制量之后，利用预 装定数据，确定出各推力器的开关状态或开机时长。
[0039] 离线计算主要用于制定最优推力器列表。需要根据推力器构型，基于凸包方法制 定出最优推力器列表，同时需要给出列表中各组合所围成多锥体的锥面法向量以及所在的 象限，确定期望控制量在该多锥体内部的逻辑条件。
[0040] 在线计算负责在控制算法给出期望控制量之后，利用离线计算确定的预装定数 据，确定各推力器的开