CN103970149B - 一种二维矢量调节机构的转角控制方法 - Google Patents

Abstract

一种矢量调节机构的转角控制方法，针对特定的矢量调节机构，根据D-H连杆坐标系方法描述机构的运动关系，推导出矢量调节机构的精确模型，然后根据精确模型，将矢量调节机构的工作空间划分为几个区域，对每个区域使用平面对曲面进行近似并获得斜率矩阵。该控制方法以矢量调节机构的转角α和转角β的当前值和目标值之差为输入，根据斜率矩阵进行路径规划，可以将矢量调节机构的转角控制到目标范围。本发明解决了在保证控制精度的同时减少星载计算机的计算时间的问题，同时解决了针对参数差异不大的不同矢量调节机构，同样的转角控制方法都能够保证控制精度的问题。

Description

一种二维矢量调节机构的转角控制方法

技术领域

本发明涉及一种二维矢量调节机构的转角控制方法，适用于利用矢量调节机构进行电推进推力方向控制的卫星控制领域。

背景技术

离子电推进系统具有比冲高的优点，使用离子电推进系统进行位置保持有利于节约燃料消耗，提高卫星寿命。当离子电推进系统产生推力时，为了避免产生姿态力矩扰动，要求推力指向卫星质心。矢量调节机构能够进行二维方向(卫星本体坐标系的X向和Z向)推力矢量的指向调节，从而降低推力对姿态的影响。

对于该矢量调节机构的控制方法，目前常用的控制方法是根据转角α和β的目标角度直接利用三角函数计算得到滑块位置d₁和d₂进而完成目标角度的调节。该控制方法比较复杂，主要使用了三角函数计算，由于星载计算机计算能力有限，三角函数计算将占用大量机时，严重影响了矢量调节机构的工作。同时，该控制方法对模型参数非常敏感，只能应用于特定的矢量调节机构，所以目前迫切需要一种简化的、鲁棒性强的矢量调节机构的转角控制方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种二维矢量调节机构的转角控制方法，解决了目前常用的矢量调节机构的控制方法耗费大量机时和内存的问题，同时解决了转角控制方法的鲁棒性问题，即针对不同矢量调节机构，同样的转角控制方法都能够保证控制精度。

本发明的技术解决方案是：

一种二维矢量调节机构的转角控制方法，包括步骤如下：

(1)矢量调节机构控制参数计算；

(2)矢量调节机构转角控制；

所述矢量调节机构控制参数计算步骤如下：

(a)根据矢量调节机构的物理结构和运动关系，推导出矢量调节机构的转角(α,β)和矢量调节机构的电机滑块位置(d₁,d₂)之间对应的二维非线性映射关系，即d₁和d₂是关于坐标(α,β)的两个曲面；

(b)根据转角控制精度、计算机的存储空间和计算能力，将矢量调节机构的工作空间(α,β)划分为若干个区域；

(c)对步骤(b)中得到每个区域进行平面拟合，即将步骤(a)所得的关于坐标(α,β)的两个曲面函数d₁(α,β)和d₂(α,β)近似成平面，得到拟合平面的斜率矩阵 $\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\β}}\\ \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ 其中表示d₁对α的微分；

所述矢量调节机构转角控制的步骤如下：

(a)测量矢量调节机构的当前转角α和β；

(b)计算外界输入的矢量调节机构的目标转角α₀和β₀和当前转角α和β的差值dα和dβ，即dα＝α₀-α，dβ＝β₀-β；

(c)判断目标转角和当前转角误差是否满足要求，若dα和dβ小于容许误差，则进入步骤(f)，否则进入步骤(d)；

(d)计算滑块位置d₁和d₂的改变值dd₁和dd₂，并根据矢量调节机构控制参数计算步骤(c)计算得到拟合平面的斜率矩阵，计算得：

$\left[\begin{array}{c}d{d}_1\\ {\mathrm{dd}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\β}}\\ \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\β}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}d\mathrm{\α}\\ d\mathrm{\β}\end{array}\right]$

(e)根据dd₁和dd₂调节滑块位置从而完成矢量调节机构的转角α和β调节，然后进入步骤(a)；

(f)调节控制结束。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明在保证控制精度满足工程要求的前提下，简化了矢量调节机构控制算法，节约了宝贵的星载计算机的计算时间和内存，提高了工作效率。

(2)本发明对矢量调节机构的参数差异具有一定的鲁棒性，当参数差异在一定范围之内，本发明能够保证矢量调节机构的控制精度。

(3)本发明控制过程简单、易于实现、适用性强、成本较低，可推广到任何使用矢量调节机构进行电推进推力指向控制的卫星上，由于电推进分系统是长寿命卫星的未来发展方向，该方法具有较广的应用前景。

附图说明

图1为本发明矢量调节机构三维示意图；

图2为本发明矢量调节机构结构示意图；

图3为本发明矢量调节机构调节原理示意图；

图4为本发明矢量调节机构十字万向节结构示意图；

图5为本发明矢量调节机构十字万向节组成示意图；

图6为本发明矢量调节机构丝杠导轨驱动组件示意图；

图7为本发明矢量调节机构控制参数计算流程图；

图8为本发明矢量调节机构转角控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1、2、3、4、5、6所示，本发明中所述的矢量调节机构包括活动板1、连接架2、支撑装置3、十字轴万向节4、固定板5、立柱6、丝杠导轨驱动组件7、推力支撑杆8和支撑杆9；

丝杠导轨驱动组件7又包括左轴承支座7-1、轴承7-2、套筒7-3、导轨副7-4、滚珠丝杠副7-5、右轴承支座7-6和电机7-7；导轨副7-4又包括滑块和导轨；所述丝杠导轨驱动组件7的电机7-7固定在右轴承支座7-6上，电机7-7的轴与滚珠丝杠副7-5的丝杠连接，导轨副7-4的滑块与滚珠丝杠副7-5的螺母固连，导轨副7-4的导轨固定在套筒7-3上，套筒7-3的两端固定在左轴承支座7-1和右轴承支座7-6上并随之固定在固定板5上，滚珠丝杠副7-5的丝杠两端通过轴承7-2分别装配在左轴承支座7-1和右轴承支座7-6上；在电机7-7的带动下，滚珠丝杠副7-5的螺母可在丝杠上做直线运动，导轨副7-4用来限制滚珠丝杠副7-5螺母的径向转动。

所述十字轴万向节4又包括大连接支架4-1、小连接支架4-2、左轴承座4-3、轴承外锁紧圈4-4、轴承内锁紧圈4-5、十字轴4-6，轴承4-7、右轴承座4-8、旋转变压器定子4-9和旋转变压器转子4-10；

活动板1的一端与固定板5的同侧一端之间通过支撑装置3(一般的可旋转的支撑杆就可以实现)连接，活动板1和固定板5的另一端之间通过两组支撑杆9相连；两套推力支撑杆8一端分别连接活动板1的中心部位，另一端分别连接在两套丝杠导轨驱动组件7上；两套丝杠导轨驱动组件7分别连接在固定板5的中心部位两侧；

十字轴万向节4的十字轴4-6为一体式结构，在两个方向上分别伸出长轴和短轴，长轴和短轴为中空轴，长短轴中间连接结构为立方体结构；长短轴两端分别通过大连接支架4-1和小连接支架4-2的同轴孔，并通过轴承4-7与左轴承座4-3、右轴承座4-8装配成一体，左轴承座4-3和右轴承座4-8分别与大连接支架4-1和小连接支架4-2固定在一起，长短轴的两端分别通过轴承外锁紧圈4-4和轴承内锁紧圈4-5将轴承4-7在轴向的位置锁紧固定使得大连接支架4-1和小连接支架4-2可以分别绕十字轴4-6的长轴轴线和短轴轴线进行旋转；

十字轴万向节4的十字轴4-6与大连接支架4-1、小连接支架4-2的装配形式如下：先将大连接支架4-1、小连接支架4-2上面的同轴孔分别装入十字轴4-6的长轴和短轴，之后再把左轴承座4-3和右轴承座4-8装配到大连接支架4-1和小连接支架4-2上，然后进行两对轴承的装配并锁紧，这时十字轴4-6已经可以相对大连接支架4-1和小连接支架4-2进行旋转，最后分别将旋转变压器转子4-10和旋转变压器定子4-9装配到十字轴4-6和右轴承座4-8上。

工作时：活动板1处于自由调节状态，十字轴万向节4、丝杠导轨驱动组件7和推力支撑杆8开始工作，电机7-7的旋转运动通过导轨副7-4和滚珠丝杠副7-5变换直线运动，直线运动再通过一定的装置变换两个推力杆支撑组件8的组合空间运动，进而实现活动板1的二维并联运动和二维并联控制二维的转角为α和β，通过旋转变压器测量得到，活动板1沿十字轴万向节4长短轴轴向方向旋转。

如图7、8所示，一种二维矢量调节机构的转角控制方法，包括步骤如下：

(1)矢量调节机构控制参数计算；

(2)矢量调节机构转角控制；

所述矢量调节机构控制参数计算步骤如下：

(a)根据矢量调节机构的物理结构和运动关系，推导出矢量调节机构的转角(α,β)和矢量调节机构的电机滑块位置(d₁,d₂)之间对应的二维非线性映射关系，即d₁和d₂是关于坐标(α,β)的两个曲面；

(b)根据转角控制精度、计算机的存储空间和计算能力，将矢量调节机构的工作空间(α,β)划分为若干个区域(若干区域根据具体情况而定，区域越多，转角控制精度越高，但对计算机的存储空间和计算能力要求也越高)；

(c)对步骤(b)中得到每个区域进行平面拟合，即将步骤(a)所得的关于坐标(α,β)的两个曲面函数d₁(α,β)和d₂(α,β)近似成平面，得到拟合平面的斜率矩阵 $\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\β}}\\ \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ 其中表示d₁对α的微分；

所述矢量调节机构转角控制的步骤如下：

(a)测量矢量调节机构的当前转角α和β；

(b)计算外界输入的矢量调节机构的目标转角α₀和β₀和当前转角α和β的差值dα和dβ，即dα＝α₀-α，dβ＝β₀-β；

(c)判断目标转角和当前转角误差是否满足要求，若dα和dβ小于容许误差，则进入步骤(f)，否则进入步骤(d)；

(d)计算滑块位置d₁和d₂的改变值dd₁和dd₂，并根据矢量调节机构控制参数计算步骤计算得到拟合平面的斜率矩阵，计算得：

$\left[\begin{array}{c}d{d}_1\\ {\mathrm{dd}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\β}}\\ \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\β}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}d\mathrm{\α}\\ d\mathrm{\β}\end{array}\right]$

(e)根据dd₁和dd₂调节滑块位置从而完成矢量调节机构的转角α和β调节，然后进入步骤(a)；

(f)调节控制结束。

下面以一次矢量调节机构的控制操作为实施例说明采用本发明实现矢量调节机构的转角α和转角β的控制。本例中位移的单位为米，角度的单位为弧度。

首先进行算法参数计算，步骤如下：

(1)根据D-H连杆坐标系方法，推导出转角(α,β)和矢量调节机构的滑块位置(d₁,d₂)之间的对应数学转换关系。

(2)将矢量调节机构的工作空间(α,β)划分为若干个区域。本实施例中工作空间是指转角α位于+5度到-5度之间，转角β位于+8度到-8度之间，将它分为九个区域：

区域1：α∈[-12,-2],β∈[-12,-1]

区域2：α∈(-2,2),β∈[-12,-1]

区域3：α∈[2,12],β∈[-12,-1]

区域4：α∈[-12,-2],β∈(-1,1)

区域5：α∈(-2,2),β∈(-1,1)

区域6：α∈[2,12],β∈(-1,1)

区域7：α∈[-12,-2],β∈[1,12]

区域8：α∈(-2,2),β∈[1,12]

区域9：α∈[2,12],β∈[1,12]

(3)计算出每个区域对应的近似拟合平面的斜率矩阵：

区域1： $\left[\begin{array}{cc}0.1546& -0.12038\\ 0.18563& 0.14616\end{array}\right]$

区域2： $\left[\begin{array}{cc}0.14353& -0.099581\\ 0.16834& 0.12232\end{array}\right]$

区域3： $\left[\begin{array}{cc}0.13637& -0.082206\\ 0.15713& 0.10347\end{array}\right]$

区域4： $\left[\begin{array}{cc}0.16898& -0.13267\\ 0.17008& 0.13272\end{array}\right]$

区域5： $\left[\begin{array}{cc}0.15514& -0.11042\\ 0.15618& 0.11075\end{array}\right]$

区域6： $\left[\begin{array}{cc}0.14615& -0.092287\\ 0.14714& 0.092868\end{array}\right]$

区域7： $\left[\begin{array}{cc}0.1847& -0.14614\\ 0.15587& 0.12047\end{array}\right]$

区域8： $\left[\begin{array}{cc}0.16747& -0.122\\ 0.14471& 0.099921\end{array}\right]$

区域9： $\left[\begin{array}{cc}0.1563& -0.10288\\ 0.1375& 0.082785\end{array}\right]$

然后进行矢量调节机构转角控制，假设当前的转角α和转角β为-8度和-5度，目标的转角α和转角β为8度和5度，容许误差为0.01度。控制过程如下：

(1)当前转角α和β所在区域为区域1，根据转角α和转角β的当前值和目标值，进行第一次控制，计算得相对于滑块当前位置d₁和d₂的改变值dd₁和dd₂：

$\left[\begin{array}{c}d{d}_1\\ {\mathrm{dd}}_2\end{array}\right]=k\left[\begin{array}{cc}0.1546& -0.12038\\ 0.18563& 0.14616\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}8-(-8)\\ 5-(-5)\end{array}\right]$

上式中，k表示弧度与角度的转换系数π/180。

(2)根据dd₁和dd₂调节滑块位置后，测得转角α和β得到当前的转角α和转角β为11.275和11.028度，判断当前转角α和β所在区域为区域9，进行第二次控制，计算得相对于滑块当前位置d₁和d₂的改变值dd₁和dd₂：

$k\left[\begin{array}{cc}0.1563& -0.10288\\ 0.1375& 0.082785\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}8-11.275\\ 5-11.028\end{array}\right]$

(3)根据dd₁和dd₂调节转角α和β得到当前的转角α和转角β为7.0559和3.4383度，判断当前转角α和β所在区域为区域9，进行第三次控制，计算得相对于滑块当前位置d₁和d₂的改变值dd₁和dd₂：

$k\left[\begin{array}{cc}0.1563& -0.10288\\ 0.1375& 0.082785\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}8-7.0559\\ 5-3.4383\end{array}\right]$

(4)根据dd₁和dd₂调节转角α和β得到当前的转角α和转角β为8.0847和5.1941度，判断当前转角α和β所在区域为区域9，进行第四次控制，计算得相对于滑块当前位置d₁和d₂的改变值dd₁和dd₂：

$k\left[\begin{array}{cc}0.1563& -0.10288\\ 0.1375& 0.082785\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}8-8.0847\\ 5-5.1941\end{array}\right]$

(5)根据dd₁和dd₂调节转角α和β得到当前的转角α和转角β为7.9855和4.9707度，判断当前转角α和β所在区域为区域9，进行第五次控制，计算得相对于滑块当前位置d₁和d₂的改变值dd₁和dd₂：

$k\left[\begin{array}{cc}0.1563& -0.10288\\ 0.1375& 0.082785\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}8-7.9855\\ 5-4.9707\end{array}\right]$

(8)根据dd₁和dd₂调节转角α和β得到当前的转角α和转角β为8.0022和5.0044度。满足控制精度的要求，控制结束。

本发明已经在东方红三号B平台得到应用，充分说明本发明可以对矢量调节机构的转角进行精度控制，具有计算量小、占用内存小的优点，适宜星上应用的特点。

以上所述，仅为本发明的一个实例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种二维矢量调节机构的转角控制方法，其特征在于步骤如下：

(1)矢量调节机构控制参数计算；

(2)矢量调节机构转角控制；

所述矢量调节机构控制参数计算步骤如下：

(a)根据矢量调节机构的物理结构和运动关系，推导出矢量调节机构的转角(α,β)和矢量调节机构的电机滑块位置(d₁,d₂)之间对应的二维非线性映射关系，即d₁和d₂是关于坐标(α,β)的两个曲面；

(b)根据转角控制精度、计算机的存储空间和计算能力，将矢量调节机构的工作空间(α,β)划分为若干个区域；

(c)对步骤(b)中得到每个区域进行平面拟合，即将步骤(a)所得的关于坐标(α,β)的两个曲面函数d₁(α,β)和d₂(α,β)近似成平面，得到拟合平面的斜率矩阵 $\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\β}}\\ \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ 其中表示d₁对α的微分；

所述矢量调节机构转角控制的步骤如下：

(a)测量矢量调节机构的当前转角α₁和β₁；

(b)计算外界输入的矢量调节机构的目标转角α₀和β₀和当前转角α₁和β₁的差值dα和dβ，即dα＝α₀-α₁，dβ＝β₀-β₁；

(c)判断目标转角和当前转角误差是否满足要求，若dα和dβ小于容许误差，则进入步骤(f)，否则进入步骤(d)；

(d)计算滑块位置d₁和d₂的改变值dd₁和dd₂，并根据矢量调节机构控制参数计算步骤(c)计算得到拟合平面的斜率矩阵，计算得：

$\left[\begin{array}{c}d{d}_1\\ {\mathrm{dd}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_1}{d\mathrm{\β}}\\ \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\α}}& \frac{{\mathrm{dd}}_2}{d\mathrm{\β}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}d\mathrm{\α}\\ d\mathrm{\β}\end{array}\right]$

(e)根据dd₁和dd₂调节滑块位置从而完成矢量调节机构的转角α和β调节，然后进入步骤(a)；

(f)调节控制结束。