沿着平面X = -1，X = 1，Y = -1，Y = 1，Z = -1，Z = 1六个平面进行 投影，投影出的图像如图6所示，根据各投影面上的投影点坐标，利用二维平面凸包确定的 增量方法，确定各个二维平面上的所有的凸包，在本实例中，每个平面上的点都是凸顶点， 每个点集都只构成一个凸包，从而可以确定出最优推力器列表如表1所示：
[0093] 表1最优推力器组合表
[0094]
[0095] 步骤二中提及的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。其中推力器组合表由步骤一确定，结果如表1所示，而根据8个推力器产生的力 矩在三维空间的分布（图5)可以确定各推力器组合围成多锥形体的锥面法向量，结果如表 2所示，各象限中包含的推力器组合以及满足的逻辑条件如表3所示：
[0096] 表2各推力器组合围成多锥形体的锥面法向量
[0097]
[0098] 表2中的〈1 T,〉代表由第i个和第
j个推力器的力矩矢量构成的锥面。表3给 出了各象限中包含的推力器组合以及判断逻辑，表格中的0；，!〇代表1V^ ni的点积，而 符号"&"代表逻辑与。
[0099] 表3各象限中包含的推力器组合以及判断逻辑
[0100] I_u I u I」
[0102] 表1，表2以及表3给出了所有的预装定数据，由预装定数据可知，在星载计算机中 需要存储一个包含6个推力器组合的列表、12个锥面方向矢量以及24种逻辑组合。
[0103] 步骤二中提及利用法向量判定方法确定最优推力器组合。不妨假设期望控制力矩 为Te= [0. 25 0. 45 -0. 6]，具体过程为
[0104] (1)由Tra>0, Tcy〉0, TJ0可以确定期望控制力矩在第5象限；
[0105] (2)计算期望控制力矩与该象限内锥面法向量的点积：(Tc，n5)= 0. 4303>0, (Tc, n6) = 0. 0603, (Tc, n9) = 0. 4619>0 ；
[0106] (3)根据表3给出的逻辑判断条件，可以确定该期望控制力矩对应的推力器组合 为组合6由推力器1，推力器2,推力器3,以及推力器4组成。
[0107] 步骤三是判断推力器工作模式，步骤四和步骤五是分别针对推力器控制模式，确 定出与期望控制力矩最相近的分配方案。
[0108] 当推力器是以连续控制量输出模式进行工作时，采用步骤四进行计算。首先可以 确定组合5确定的控制效率子矩罔
SAi确定 的伪逆矩g
，从而基于伪逆法可以确定推力器的分配量 为1^= A+TC= [1.0849 0.0906 0.0742 1.0685] T，由计算结果可知推力器和推力器4的分 配量都超过了其上限值，因此利用上限值对其进行修正，可以得到个推力器组合中各推力 器最后的分配结果为U1= [1 0.0906 0.0742 1]T，而其他非推力器组合中的推力器都为关 的状态，故最终8个推力器的分配量为U= [1 0.0906 0.0742 1 0 0 0 0]T。
[0109] 当推力器是以全开和全关控制模式进行工作时，采用步骤五进行计算。根据确定 的最优组合6,由推力器1、推力器2、推力器3、以及推力器4组成，非组合中的推力器都处 于关的状态，因此由选定组合中4个推力器所能构成的开关逻辑组合数为2 4种，结果如表 4所示：
[0110] 表4推力器组合中各推力器可能的开关逻辑
[0111]
[0112] 由表4可知只有推力器1和推力器4处于全开，而其他推力器都处于关的状态时， 分配误差最小，因此8个推力器的开关状态最终分配结果为U= [1 0 0 1 0 0 0 0]T。
【主权项】
1. 一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方法，其特征在于所述方法包括以下步 骤： 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； 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； 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TJl于各最优推力器组合围成区域的内部时所应满足的条件； 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； 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A1，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； 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T1，选择出分配误差最小所对应的开关状态。2. 根据权利要求1所述的一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方法，其特征在于 步骤一中基于凸包确定最优推力器组合表的具体步骤为： 步骤a、由推力器的安装构型，确定各推力器产生的力矩矢量集合为M ; 步骤b、将力矩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； (1) 判断n个矢量的坐标矢量是否存在坐标为O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O的情况； (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; ^"^(^，(^，(^，(^，(^，(^中的矢量分别沿平面父=-^ = ^ = -^ = ^ =-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. 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；具体步骤如 下： (1)对于点集中的m个交点坐标Id1, by bm，计算m个点与X轴正方向的夹角； ⑵按照夹角从小到大依次排序，分别为bu，bl2- bini; ⑶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 ; (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； (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 ; (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 ; (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 ; (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； (9) 输出各个最小凸包； 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。3.根据权利要求1或2所述的一种基于凸包确定推力器列表的控制分配方法，其特征 在于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： 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； 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； 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； 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； 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； 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。
【专利摘要】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，本发明是为了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。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。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN105005198
【申请号】CN201510337564
【发明人】张世杰, 聂涛, 赵亚飞, 孙兆伟
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年6月17日