一种用于航天器接管控制的多单元力矩分配方法与流程

本发明属于控制分配领域，涉及一种用于航天器接管控制的多单元力矩分配方法，具体涉及多个独立供能执行单元在考虑能量均衡和输出幅值限制情况下的控制分配方法。

背景技术：

随着在轨卫星数量的日益增加，很多高价值卫星由于燃料耗尽或控制系统故障导致无法进行有效的姿态控制，价值高昂的有效载荷无法正常工作。为了恢复高价值卫星的功能，延长其使用寿命，世界各国提出了多种在轨服务方法，其中接管控制是其中最具可行性的方案之一。通过服务航天器与目标航天器对接，利用服务航天器的姿轨控系统接管目标航天器的姿轨控制能力。从而恢复目标航天器姿轨控能力，使得目标航天器的高价值有效载荷恢复正常工作。

在航天器接管控制任务中，由于通常高价值目标航天器多为较大型卫星，因此通常需要多套执行器，因此需要对多套执行器进行控制分配跟踪服务航天器的控制信号，其中尤其是空间细胞机器人，由于单个空间细胞机器人通常执行能力有限，同时空间细胞机器人中的每个细胞均为独立供能，因此除了考虑多个执行器跟踪控制信号以外，还需要考虑到各个细胞中的负载均衡问题，以避免个别细胞由于长时间工作导致能量快速耗完，影响功能完整性。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种用于航天器接管控制的多单元力矩分配方法，解决航天器接管控制中，考虑负载均衡的多个控制单元的力矩分配问题，本发明给出了一种力矩分配方法，本方法不仅可以保证输出跟踪控制信号，同时可以使得各个执行器单元的剩余能量趋于一致。

技术方案

一种用于航天器接管控制的多单元力矩分配方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：计算每个执行节点剩余能量系数：所述执行节点是指各个独立供能的执行器均称为执行节点；

消耗型执行器每个执行节点剩余能量系数：

其中，pi为当前剩余燃料储量，以冲量为单位；pmax为燃料箱满储状态下的燃料储量，以冲量为单位；k1为0＜k1≤1范围内的消耗型执行节点耗能控制系数；

储能型执行器每个执行节点剩余能量系数：

其中：uc＝[ucxucyucz]^t为控制信号，控制信号单位向量，k2为范围内的储能型执行节点耗能控制系数；

所述ri＝[rixriyriz]^t

其中：

步骤2：计算执行节点i的估计输出

步骤3：计算输出限制系数

其中：umax为执行器最大输出，e为一个小于0.01的正数；

步骤4：计算综合加权系数βi＝αiεi

步骤5：令修正迭代计数f＝0，计算最终分配结果

步骤a、计算修正分配结果

同时令f＝f+1

步骤b、对步骤a所得的修正结果进行超限检查，检查是否超出输出幅值限制和能量消耗限制:

1、检查是否超出输出幅值限制

判断三个条件是否均满足，是则输出不超限，令λa＝0；否则输出超限，令λa＝1。

2、检查是否超出能量消耗限制

设每次控制分配的时间步长为δt。

(1)对于消耗型执行节点，若pi-δpi＞0，则能量消耗不超限，否则超限。

其中，δpi为δt时间内，消耗的燃料数量且aix，aiy，aiz分别为x,y,z方向的推力器作用力臂，由实际推力器布局决定。

(2)对于储能型执行节点，若|ωix+δωix|≤ωmax，|ωix+δωix|≤ωmax，|ωix+δωix|≤ωmax三个条件同时满足则能量消耗不超限，否则超限。

其中lx，ly，lz分别为x,y,z方向的反作用飞轮角动量，一般lx＝ly＝lz。

若能量消耗超限，则令λe＝1，否则λe＝0。

若λa＝0且λe＝0，则得到最终分配结果

当修正迭代计数f大于fmax时，得到最终分配结果否则令返回步骤a。

有益效果

本发明提出的一种用于航天器接管控制的多单元力矩分配方法，通过执行器的储能信息交互，使得各个执行器能够根据自身储能情况输出控制力矩，使得所有执行器的总输出跟踪控制信号。在后续步骤描述中，各个独立供能的执行器均称为执行节点。

本发明与国内外同类技术有如下积极效果：

本方法给出了一种用于航天器接管控制的多单元力矩分配方法，该方法尤其适用于多个执行单元独立供能情况下的控制力矩分配。该方法与传统控制分配算法相比，在以下方面存在优势：

1)本方法可以在保证跟踪控制信号的同时满足控制输出幅值限制和能量均衡限制；

2)本方法可以适用于纯推力器、纯反作用飞轮或混合配置等情况下的控制力矩分配，可以根据实际需要调整燃料消耗。

3)令剩余能量系数为1的情况下，本方法也适用于统一供能情况下的控制分配。

4)本方法改造为分布式分配算法，只需要各节点其他节点的剩余能量值，利用节点之间定时通信，更新各节点的所存储的剩余能量数值即可实现各节点分布式计算分配结果。考虑到一般情况下执行输出不会在短时间导致超限，定时通信无需过于频繁，可以降低通信压力。

附图说明

图1多执行节点进行航天器接管控制示意图

其中1为被接管目标航天器；2为固连到目标航天器上的执行节点

图2算法流程示意图

图3通过执行节点互相通信可将本专利方法改造为分布式分配算法

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的目的是实现多个独立供能执行器控制分配，及通过执行器的储能信息交互，使得各个执行器能够根据自身储能情况输出控制力矩，使得所有执行器的总输出跟踪控制信号。在后续步骤描述中，各个独立供能的执行器均称为执行节点。

首先假设系统n个执行节点，需要跟踪的控制信号为uc＝[ucxucyucz]^t，下面根据执行器类型计算执行节点i的剩余能量系数。假设修正迭代计数限制为fmax，由用户自行设置为fmax＞1的整数。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一：计算剩余能量系数

本步针对两类航天器接管控制中常用的执行器推力器和反作用飞轮分别定义其剩余能量。

1、对于消耗型执行器如推力器，利用下式计算其剩余能量系数为其剩余燃料的比例：

其中，pi为当前剩余燃料储量(以冲量为单位)，pmax为燃料箱满储状态下的燃料储量(以冲量为单位)，k1为0＜k1≤1范围内的消耗型执行节点耗能控制系数。

2、对于储能型执行器如反作用飞轮，定义ri＝[rixriyriz]^t

其中，ωix，ωiy，ωiz分别为x,y,z轴方向的飞轮转速，ωmax为飞轮饱和转速。

利用下式计算储能型执行器的剩余能量系数为

其中为控制信号单位向量，k2为范围内的储能型执行节点耗能控制系数。

另外当所有执行节点均为消耗型执行器时，k1值无意义，一般取k1＝1；当所有执行节点均为储能型执行器时，k2值无意义，一般取在节点执行器为消耗型和储能型执行器混合情况，k1，k2分别代表消耗型执行节点和储能型执行节点承担的控制输出的比例，根据实际应用中对消耗型执行器的燃料消耗控制需求进行调节，越大燃料消耗越大，越小则反作用飞轮容易饱和。

步骤二：计算估计输出

本步根据上步得出的执行节点剩余能量系数εi，利用下式计算执行节点i的估计输出

步骤三：计算输出限制系数

本步根据上步所得的执行节点i估计输出，利用下式计算其估计输出值的幅值是否超出自身输出限制

其中umax为执行器最大输出，e为一个小于0.01的正数。

步骤四：计算综合加权系数

本步根据步骤一所得的剩余能量系数εi和步骤三所得的输出限制系数αi计算综合考虑能量均衡和输出限幅的综合加权系数βi，利用下式计算

βi＝αiεi

同时令修正迭代计数f＝0。

步骤五：计算修正分配结果

本步根据步骤四所得综合加权系数计算修正分配结果

同时令f＝f+1

步骤六：检查超限

本步对步骤五所得的修正结果进行超限检查，检查是否超出输出幅值限制和能量消耗限制。

1、检查是否超出输出幅值限制

判断三个条件是否均满足，是则输出不超限，令λa＝0；否则输出超限，令λa＝1。

2、检查是否超出能量消耗限制

设每次控制分配的时间步长为δt。

(1)对于消耗型执行节点，若pi-δpi＞0，则能量消耗不超限，否则超限。

其中，δpi为δt时间内，消耗的燃料数量且aix，aiy，aiz分别为x,y,z方向的推力器作用力臂，由实际推力器布局决定。

(2)对于储能型执行节点，若|ωix+δωix|≤ωmax，|ωix+δωix|≤ωmax，|ωix+δωix|≤ωmax三个条件同时满足则能量消耗不超限，否则超限。

其中lx，ly，lz分别为x,y,z方向的反作用飞轮角动量，一般lx＝ly＝lz。

若能量消耗超限，则令λe＝1，否则λe＝0。

若λa＝0且λe＝0，则进行步骤七。

否则判断修正迭代计数f是否大于fmax，是则进行步骤七；否则令返回步骤五。

步骤七：得到最终分配结果

经过修正后，得到最终分配结果