CN102101533B - 基于液体回路的陀螺力矩产生装置及卫星姿态控制方法 - Google Patents

Abstract

基于液体回路的陀螺力矩产生装置及卫星姿态控制方法，涉及一种液体控制力矩陀螺的装置及卫星姿态控制方法。解决了现有方法安全性差、工作寿命短，以及由于易受太空辐射影响导致整星姿态控制效果差的问题。装置一、环形刚性管路环绕在卫星本体的外侧，通过两个电机实现环形刚性管路沿OY轴和OZ轴旋转。其方法：通过控制两个电机产生沿OY、OZ、-OY、-OZ轴方向的陀螺力矩，通过控制流体泵产生沿OX和-OX轴方向的陀螺力矩，从而实现卫星三轴姿态控制。装置二、两个环形刚性管路环绕在卫星本体的外侧，通过两个电机实现两个环形刚性管路分别沿OY轴和OZ轴旋转。本发明适用于力矩陀螺的控制及卫星三轴姿态控制。

Description

基于液体回路的陀螺力矩产生装置及卫星姿态控制方法

技术领域

本发明涉及一种液体控制力矩陀螺的装置及卫星姿态控制方法。

背景技术

现有控制力矩陀螺的系统中，陀螺转子需要通过支承装置安装在陀螺框架上。支承装置负担了陀螺转子的高速自转，并且陀螺力矩都通过支承装置传递至载体。高速自转、大输出力矩以及工作寿命对陀螺支承装置的要求很高。滚珠轴承是最常见的一种支承装置，但是由于滚珠与轴承架之间存在摩擦，而在真空环境下无法进行良好的散热和润滑，使得滚珠轴承乃至整星的工作寿命受到很大的影响。磁悬浮轴承因其不接触性具有响应优点，但是磁悬浮轴承的控制存在负刚度造成的本质不确定和模型不确定性问题，电磁场的非线性特性也导致了复杂的控制模型与不可避免的模型误差，磁悬浮轴承在太空中还易受太空辐射影响，严重阻碍其发展与应用的。

发明内容

本发明是为了解决现有采用滚珠轴承方法控制力矩陀螺由于其散热性差、润滑性差导致的滚珠轴承和整星的安全性差、工作寿命短，以及采用磁悬浮轴承方法控制力矩陀螺由于易受太空辐射影响整星姿态控制效果差的问题，从而提供了一种基于液体回路的陀螺力矩产生装置及卫星姿态控制方法。

基于液体回路的陀螺力矩产生装置，它包括环形刚性管路、一号电机、二号电机、连接管和流体泵，环形刚性管路环绕在卫星本体的外侧，且所述环形刚性管路的圆心与卫星本体的中心重合；环形刚性管路的直径大于卫星本体的体对角线的长度；

以卫星本体的中心为原点建立三维直角坐标系OXYZ；一号电机位于OZ轴的正半轴上，所述一号电机的定子固定在卫星本体上；所述一号电机的力矩输出轴用于驱动二号电机的定子以OZ轴为轴线做旋转运动，二号电机的力矩输出轴的轴线O`Y`与OY轴平行；所述二号电机的力矩输出轴用于驱动环形刚性管路以所述轴线O`Y`为轴线做旋转运动；

连接管位于OZ轴的正半轴上，所述连接管用于连通环形刚性管路与卫星本体内的储液器；环形刚性管路内充有工质液体流；流体泵设置在环形刚性管路上，用于驱动环形刚性管路内的工质液体流流动；

一号电机的力矩输出轴用于驱动所述连接管和环形刚性管路同步以OZ轴为轴线做旋转运动，该连接管与环形刚性管路的连接处和二号电机的定子固定连接。

卫星姿态控制方法：

在环形刚性管路内充入工质液体流，在环形刚性管路内形成液体回路；

采用流体泵控制液体回路产生沿X轴方向的角动量；

采用二号电机驱动环形刚性管路控制力矩陀螺沿Y轴方向转动，产生沿Z轴方向的陀螺力矩；

采用一号电机驱动环形刚性管路控制力矩陀螺沿Z轴方向转动，产生沿-Y方向的陀螺力矩；

采用二号电机驱动环形刚性管路控制力矩陀螺沿-Y轴方向转动，产生沿-Z轴方向的陀螺力矩；

采用一号电机驱动环形刚性管路控制力矩陀螺沿-Z轴方向转动，产生沿Y方向的陀螺力矩；

通过流体泵控制环形刚性管路中的工质液体流转速变化，当工质液体流转速的加速度沿X轴方向时，则产生沿X轴方向的力矩；当工质液体流转速的加速度沿-X轴方向时，则产生沿-X轴方向的力矩；

从而实现卫星姿态的三轴控制。

基于液体回路的陀螺力矩产生装置，它包括一号环形刚性管路、二号环形刚性管路、三号电机、四号电机、连接管和两个流体泵，一号环形刚性管路和二号环形刚性管路均环绕在卫星本体的外侧，且所述一号环形刚性管路的圆心和二号环形刚性管路的圆心均与卫星本体的中心重合；一号环形刚性管路的直径大于卫星本体的体对角线的长度；二号环形刚性管路的直径大于一号环形刚性管路的直径；两个流体泵分别设置在一号环形刚性管路和二号环形刚性管路上，分别用于控制一号环形刚性管路和二号环形刚性管路内流体的流速；

以卫星本体为中心建立三维直角坐标系OXYZ；三号电机位于OZ轴的正半轴上，所述三号电机的定子与卫星本体固定连接，三号电机的转矩输出轴用于驱动一号环形刚性管路转子绕OZ轴旋转；四号电机位于OY轴正半轴上，四号电机的定子与一号环形刚性管路固定连接，所述四号电机的转矩输出轴用于驱动二号环形刚性管路绕OY轴旋转；

连接管位于OZ轴的正半轴上，所述连接管用于连通一号环形刚性管路与卫星本体内的储液器；二号环形刚性管路与一号环形刚性管路连通；一号环形刚性管路和二号环形刚性管路内充有工质液体流；三号电机的力矩输出轴通过连接管固定在一号环形刚性管路上。

有益效果：本发明的环形刚性管路内充入工质液体流，从而形成液体回路，不需要传统的陀螺框架和滚珠轴承，大大减小了整星的体积和质量。由于工质液体本身就对旋转部件有润滑和散热作用，因此整星的安全性好、工作寿命长；同时，由于避免了太空辐射影响，因此整星姿态控制效果较好。本发明尤其适合于内部空间受限严格的纳皮卫星。

附图说明

图1是本发明具体实施方式一的结构示意图；图2是本发明具体实施方式一的平面结构示意图；图3是本发明具体实施方式四的结构示意图；图4是本发明具体实施方式四的平面结构示意图；图5是图4的左视图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，基于液体回路的陀螺力矩产生装置，它包括环形刚性管路2、一号电机3、二号电机4、连接管5和流体泵，环形刚性管路2环绕在卫星本体1的外侧，且所述环形刚性管路2的圆心与卫星本体1的中心重合；环形刚性管路2的直径大于卫星本体1的体对角线的长度；

以卫星本体1的中心为原点建立三维直角坐标系OXYZ；一号电机3位于OZ轴的正半轴上，所述一号电机3的定子固定在卫星本体1上；所述一号电机3的力矩输出轴用于驱动二号电机4的定子以OZ轴为轴线做旋转运动，二号电机4的力矩输出轴的轴线O`Y`与OY轴平行；所述二号电机4的力矩输出轴用于驱动环形刚性管路2以所述轴线O`Y`为轴线做旋转运动；

连接管5位于OZ轴的正半轴上，所述连接管5用于连通环形刚性管路2与卫星本体1内的储液器；环形刚性管路2内充有工质液体流；流体泵设置在环形刚性管路2上，用于驱动环形刚性管路2内的工质液体流流动；

一号电机3的力矩输出轴用于驱动所述连接管5和环形刚性管路2同步以OZ轴为轴线做旋转运动，该连接管5与环形刚性管路2的连接处和二号电机4的定子固定连接。

工作原理：环形刚性管路内充入工质液体流，从而形成液体回路，所述液体回路产生沿X轴方向的角动量，控制二号电机4使得液体控制力矩陀螺沿Y轴方向转动时，将产生沿Z轴方向的陀螺力矩；控制一号电机3使得液体控制力矩陀螺沿Z轴方向转动时，将产生沿-Y方向的陀螺力矩；控制流体泵使得回路中液体转速变化，将产生沿X轴方向的反作用力矩。当液体控制力矩陀螺系统不处于初始状态时，则需结合液体回路当前位置得出综合的控制信号，控制两个电机和一个流体泵的运动，实现卫星姿态的三轴控制。

结合图1和图2所示结构产生角动量的仿真验证对本发明进行说明：

计算液体回路的角动量：

由于液体回路为框型结构（如图2所示），经计算Y轴、Z轴上的转动惯量比X轴小一个数量级，且X轴的液体流速较大，故在电机动作时，沿OY，OZ轴产生的角动量H_y，H_z<<H_x,液体回路绕其主轴旋转的角动量远大于绕其他垂直方向转动的角动量，因此在计算角动量时可仅考虑绕主轴旋转的角动量分量，即：

H≈[H_x,0,0]^T

h₀=H_x=J_xω_x

  =π²ρd²R³ω_x/2

  =πA_Ld²ρV/2

其中，H为三轴液体回路的角动量向量，H_x为X轴的角动量矢量，h₀为液体标称流速对应的角动量，J_x为X轴方向液体的转动惯量，ω_x为X轴方向的液体运动角速度，ρ为液体密度，d为刚性管的直径，R为液体回路所围成圆形的半径，A_L为回路围成面积，V为液体流速。液体回路的角动量大小和回路形状无关，只取决于回路围成面积、管的截面积和液体流速。

对于1×1×1m³的卫星，则液体回路半径至少为卫星中心到对角线的垂直距离，不妨取R=1m；液体工质参考常温常压下水的密度,ρ=1000kg/m³；取d＝0.04m，V＝80m/s（转速比传统控制力矩陀螺平均转速小四个数量级），此时液体质量为m=7.90kg，角动量：

h₀≈631.7N·m·s

框架转动角速度通常比较小，设ω_x=30°/s，则所能产生的陀螺力矩大小：

T=h₀×ω_x≈330.7N·m

可见低速下的角动量依然达到了和传统控制力矩陀螺一样可观的数量级。

对于0.1×0.1×0.1m³的纳皮卫星，设液体回路半径R=0.1m，d＝0.01m，V＝8m/s，则液体质量为m=0.049kg，角动量：

h₀≈0.040N·m·s

T=h₀×ωx≈0.021N·m

可见液体质量非常小，控制力矩达到了动量轮的数量级，可用于纳皮卫星的姿态控制。

通过增加回路围成面积以及应用更高密度的流体，还可以显著增加液体回路的当量转动惯量，于是利用较低的流速和很小的能耗就可以得到所需的姿控力矩。

计算液体控制力矩陀螺系统的角动量：

当液体控制力矩陀螺系统不处于初始状态时，定义α为外框架转动角度，沿Z轴正向，β为内框架角度，沿Y轴正向，框架角向量δ=[α,β]^T，其角动量：

$H_x=h_x\left(t\right)\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}\\ \sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}\\ \sin \mathrm{\&beta;}\end{array}\right]$

其中h_x(t)表示由于控制输入而随时间变化的X轴液体角动量。可见角动量H是关于框架角和时间的函数H(δ，t)。

计算所能产生的控制力矩大小：

$T={\stackrel{\&CenterDot;}{H}}_x={\stackrel{\&CenterDot;}{h}}_x\left(t\right)\left[\begin{array}{c}\cos \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}\\ \sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}\\ \sin \mathrm{\&beta;}\end{array}\right]+h_0\left[\begin{array}{cc}-\sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}& -\cos \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&beta;}\\ \cos \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&beta;}& \sin \mathrm{\&alpha;}\sin \mathrm{\&beta;}\\ 0& \cos \mathrm{\&beta;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&alpha;}}\\ \stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]$

借鉴传统控制力矩陀螺和动量轮的控制方法，通过电机驱动框架角发生变化产生陀螺力矩，通过电机驱动泵改变液体流速产生反作用力矩。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置的区别在于，流体泵为机械泵。

本实施方式中，流体泵可以是机械泵，也可以是任何能够液体循环流动的原理/机构，比如利用热电效应结合磁流体产生洛伦兹力的装置。

具体实施方式三、基于具体实施方式一所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置的卫星姿态控制方法，它的方法是：

在环形刚性管路2内充入工质液体流，在环形刚性管路2内形成液体回路；

采用流体泵控制液体回路产生沿X轴方向的角动量；

采用二号电机4驱动环形刚性管路2控制力矩陀螺沿Y轴方向转动，产生沿Z轴方向的陀螺力矩；

采用一号电机3驱动环形刚性管路2控制力矩陀螺沿Z轴方向转动，产生沿-Y方向的陀螺力矩；

采用二号电机4驱动环形刚性管路2控制力矩陀螺沿-Y轴方向转动，产生沿-Z轴方向的陀螺力矩；

采用一号电机3驱动环形刚性管路2控制力矩陀螺沿-Z轴方向转动，产生沿Y方向的陀螺力矩；

通过流体泵控制环形刚性管路2中的工质液体流转速变化，当工质液体流转速的加速度沿X轴方向时，则产生沿X轴方向的力矩；当工质液体流转速的加速度沿-X轴方向时，则产生沿-X轴方向的力矩；

从而实现卫星姿态的三轴控制。

其中，-Z轴方向、Y轴方向分别为论述中的Z轴方向、-Y轴方向的负方向，其力矩通过改变电机的转向（即产生-ω），由公式中的叉乘关系可知，反向的力矩是能够得到的。-X轴方向的力矩通过液体流动的加速度方向确定，加速度为X轴正向，即力矩即为X轴正向，反之亦然；其中加速度是通过控制流体泵进行调节的。

具体实施方式四、结合图3和图4说明本具体实施方式，基于液体回路的陀螺力矩产生装置，它包括一号环形刚性管路21、二号环形刚性管路22、三号电机6、四号电机7、连接管5和两个流体泵，一号环形刚性管路21和二号环形刚性管路22均环绕在卫星本体1的外侧，且所述一号环形刚性管路21的圆心和二号环形刚性管路22的圆心均与卫星本体1的中心重合；一号环形刚性管路21的直径大于卫星本体1的体对角线的长度；二号环形刚性管路22的直径大于一号环形刚性管路21的直径；两个流体泵分别设置在一号环形刚性管路21和二号环形刚性管路22上，分别用于控制一号环形刚性管路21和二号环形刚性管路22内流体的流速；

以卫星本体1为中心建立三维直角坐标系OXYZ；三号电机6位于OZ轴的正半轴上，所述三号电机6的定子与卫星本体1固定连接，三号电机6的转矩输出轴用于驱动一号环形刚性管路21转子绕OZ轴旋转；四号电机7位于OY轴正半轴上，四号电机7的定子与一号环形刚性管路21固定连接，所述四号电机7的转矩输出轴用于驱动二号环形刚性管路22绕OY轴旋转；

连接管5位于OZ轴的正半轴上，所述连接管5用于连通一号环形刚性管路21与卫星本体1内的储液器；二号环形刚性管路22与一号环形刚性管路21连通；一号环形刚性管路21和二号环形刚性管路22内充有工质液体流；三号电机6的力矩输出轴通过连接管5固定在一号环形刚性管路21上。

工作原理：二号环形刚性回路22具有Y轴和Z轴两个自由度，初始位置的角动量根据角度θ可分解到X轴和Z轴两个方向。从而控制三号电机6的角速度方向可以产生Y轴正负方向的陀螺力矩；控制四号电机7的角速度方向可以产生Z轴和X轴的陀螺力矩。即可产生三轴的控制力矩。

一号环形刚性回路21具有Z轴方向的一个自由度，角动量方向指向X轴正方向。根据前述的陀螺力矩产生原理可知，可以控制三号电机6的角速度ω的方向来产生Y轴正反方向的力矩，由于和角度θ无关，故控制力矩更大，还可以强化X轴的稳定作用，特别适合需对X轴定向的卫星（如对地定向的气象卫星）。

通过对环形刚性回路的组合组合控制可以优化力矩作用模式。并且可根据需要再在二号环形刚性回路22外围依照内层原理加装刚性回路，从而使液体控制力矩陀螺具有更多自由度和更灵活的控制设计方法。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置的区别在于，它还包括五号电机8，所述五号电机8位于OZ轴的负半轴上，所述五号电机8的定子与卫星本体1固定连接，五号电机8的转矩输出轴用于驱动一号环形刚性管路21绕OZ轴旋转，五号电机8与三号电机6同步工作。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式四所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置的区别在于，它还包括六号电机9，所述六号电机9位于OY轴负半轴上，六号电机9的定子与一号环形刚性管路21固定连接，所述六号电机9的力矩输出轴用于驱动二号环形刚性管路22绕OY轴旋转，六号电机9与四号电机7同步运动。

具体实施方式七、本具体实施方式五或六所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置的区别在于，它还包括一根连接管5，五号电机8的力矩输出轴通过连接管5固定在一号环形刚性管路21上。

结合图5说明本实施方式，两个液体回路相当于传统控制力矩陀螺系统中的两陀螺构型，其内流速不发生变化，故通过两回路的组合产生控制卫星三轴姿态的陀螺力矩。两回路夹角θ可经过优化设计避免奇异问题和视线遮挡。

Claims (7)

1.基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征是：它包括环形刚性管路（2）、一号电机（3）、二号电机（4）、连接管（5）和流体泵，环形刚性管路（2）环绕在卫星本体（1）的外侧，且所述环形刚性管路（2）的圆心与卫星本体（1）的中心重合；环形刚性管路（2）的直径大于卫星本体（1）的体对角线的长度；

以卫星本体（1）的中心为原点建立三维直角坐标系OXYZ；一号电机（3）位于OZ轴的正半轴上，所述一号电机（3）的定子固定在卫星本体（1）上；所述一号电机（3）的力矩输出轴用于驱动二号电机（4）的定子以OZ轴为轴线做旋转运动，二号电机（4）的力矩输出轴的轴线O`Y`与OY轴平行；所述二号电机（4）的力矩输出轴用于驱动环形刚性管路（2）以所述轴线O`Y`为轴线做旋转运动；

连接管（5）位于OZ轴的正半轴上，所述连接管（5）用于连通环形刚性管路（2）与卫星本体（1）内的储液器；环形刚性管路（2）内充有工质液体流；流体泵设置在环形刚性管路（2）上，用于驱动环形刚性管路（2）内的工质液体流流动；

一号电机（3）的力矩输出轴用于驱动所述连接管（5）和环形刚性管路（2）同步以OZ轴为轴线做旋转运动，该连接管（5）与环形刚性管路（2）的连接处和二号电机（4）的定子固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征在于流体泵为机械泵。

3.基于权利要求1所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置的卫星姿态控制方法，其特征是：它的方法是：

在环形刚性管路（2）内充入工质液体流，在环形刚性管路（2）内形成液体回路；

采用流体泵控制液体回路产生沿X轴方向的角动量；

采用二号电机（4）驱动环形刚性管路（2）控制力矩陀螺沿Y轴方向转动，产生沿Z轴方向的陀螺力矩；

采用一号电机（3）驱动环形刚性管路（2）控制力矩陀螺沿Z轴方向转动，产生沿-Y方向的陀螺力矩；

采用二号电机（4）驱动环形刚性管路（2）控制力矩陀螺沿-Y轴方向转动，产生沿-Z轴方向的陀螺力矩；

采用一号电机（3）驱动环形刚性管路（2）控制力矩陀螺沿-Z轴方向转动，产生沿Y方向的陀螺力矩；

通过流体泵控制环形刚性管路（2）中的工质液体流转速变化，当工质液体流转速的加速度沿X轴方向时，则产生沿X轴方向的力矩；当工质液体流转速的加速度沿-X轴方向时，则产生沿-X轴方向的力矩；

从而实现卫星姿态的三轴控制。

4.基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征是：它包括一号环形刚性管路（21）、二号环形刚性管路（22）、三号电机（6）、四号电机（7）、连接管（5）和两个流体泵，一号环形刚性管路（21）和二号环形刚性管路（22）均环绕在卫星本体（1）的外侧，且所述一号环形刚性管路（21）的圆心和二号环形刚性管路（22）的圆心均与卫星本体（1）的中心重合；一号环形刚性管路（21）的直径大于卫星本体（1）的体对角线的长度；二号环形刚性管路（22）的直径大于一号环形刚性管路（21）的直径；两个流体泵分别设置在一号环形刚性管路（21）和二号环形刚性管路（22）上，分别用于控制一号环形刚性管路（21）和二号环形刚性管路（22）内流体的流速；

以卫星本体（1）为中心建立三维直角坐标系OXYZ；三号电机（6）位于OZ轴的正半轴上，所述三号电机（6）的定子与卫星本体（1）固定连接，三号电机（6）的转矩输出轴用于驱动一号环形刚性管路（21）转子绕OZ轴旋转；四号电机（7）位于OY轴正半轴上，四号电机（7）的定子与一号环形刚性管路（21）固定连接，所述四号电机（7）的转矩输出轴用于驱动二号环形刚性管路（22）绕OY轴旋转；

连接管（5）位于OZ轴的正半轴上，所述连接管（5）用于连通一号环形刚性管路（21）与卫星本体（1）内的储液器；二号环形刚性管路（22）与一号环形刚性管路（21）连通；一号环形刚性管路（21）和二号环形刚性管路（22）内充有工质液体流；三号电机（6）的力矩输出轴通过连接管（5）固定在一号环形刚性管路（21）上。

5.根据权利要求4所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征在于它还包括五号电机（8），所述五号电机（8）位于OZ轴的负半轴上，所述五号电机（8）的定子与卫星本体（1）固定连接，五号电机（8）的转矩输出轴用于驱动一号环形刚性管路（21）绕OZ轴旋转，五号电机（8）与三号电机（6）同步工作。

6.根据权利要求4所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征在于它还包括六号电机（9），所述六号电机（9）位于OY轴负半轴上，六号电机（9）的定子与一号环形刚性管路（21）固定连接，所述六号电机（9）的力矩输出轴用于驱动二号环形刚性管路（22）绕OY轴旋转，六号电机（9）与四号电机（7）同步运动。

7.根据权利要求5或6所述的基于液体回路的陀螺力矩产生装置，其特征在于它还包括一根连接管（5），五号电机（8）的力矩输出轴通过连接管（5）固定在一号环形刚性管路（21）上。

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