CN107804482A - 主从非接触双超卫星平台及其最优解耦控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种主从非接触双超卫星平台及其最优解耦控制方法，所述主从非接触双超卫星平台，包括载荷舱、服务舱和非接触磁浮机构；载荷舱和服务舱结构上通过非接触式磁浮机构连接，这种连接形式保证了服务舱振动干扰不会传输至载荷舱；载荷舱专注超精超稳任务，服务舱提供平台基础服务；采取主从协同的控制方式，以载荷舱为主动控制体，进行超精超稳精控，而服务舱为从动跟踪体，随动跟踪载荷舱。本发明解决平台舱和载荷舱相对位置和姿态的精确控制问题。

Description

主从非接触双超卫星平台及其最优解耦控制方法

技术领域

本发明涉及最优控制方法领域，具体涉及一种主从非接触双超卫星平台及其最优解耦控制方法，提供了一种基于最小范数求解最优解耦控制律的方法。

背景技术

针对仅基于被动或主动隔振器的平台干扰抑制方法已经无法满足未来高精度载荷超高指向精度和超高稳定性的问题，本发明提出了一种主从协同非接触双超卫星卫平台设计，采用高精度磁浮机构作为连接两舱的中间机构，且同时作为载荷舱姿态控制和两舱相对位置控制的执行机构，实现载荷的双超控制精度。载荷舱的姿态控制所需控制力矩和两舱相对位置控制所需控制力均由磁浮机构产生，针对多个磁浮机构输出控制力易发生耦合的问题，本发明设计基于最小范数的最优解耦控制律，使每个磁浮机构的输出为最优唯一，且满足一定冗余，保障双超卫星平台的在轨安全和应用性能。

发明内容

为了解决主从非接触双超卫星平台磁浮机构控制力的耦合问题，本发明的目的在于提出一种主从非接触双超卫星平台及其最优解耦控制方法，利用本发明，可以得到八个磁浮机构期望输出力的唯一解，并能够判断该解的合理性，指导主从非接触双超卫星平台控制律的设计。

本发明提供一种主从非接触双超卫星平台，其特征在于，包括载荷舱、服务舱和非接触磁浮机构；载荷舱和服务舱结构上通过非接触式磁浮机构连接，这种连接形式保证了服务舱振动干扰不会传输至载荷舱；载荷舱专注超精超稳任务，服务舱提供平台基础服务；采取主从协同的控制方式，以载荷舱为主动控制体，进行超精超稳精控，而服务舱为从动跟踪体，随动跟踪载荷舱。

优选地，所述载荷舱上安装但不限于安装有效载荷、星敏感器、陀螺等安静部件和解耦控制单元。

优选地，所述服务舱上安装但不限于安装驱动机构、推力器、动量轮、太阳电池阵和相对姿态控制单元。

优选地，所述磁浮机构包括永久磁铁端和线圈端，永久磁铁端与载荷舱固连，线圈端与服务舱固连，永久磁铁端和线圈端之间根据控制指令，通过电磁作用产生电磁力。

优选地，所述磁浮机构的永久磁铁端和线圈端利用但不限于电磁力或静电力方式，通过控制中线圈的电流变化来输出控制力，进而调节载荷舱和服务舱之间的相对位置，以及控制载荷舱的姿态。

优选地，所述载荷舱通过磁浮机构控制姿态，实现期望的有效载荷精确指向控制；服务舱通过安装在其上的推力器、动量轮抵抗环境干扰并随动跟踪载荷舱的姿态，使两舱达到期望的相对姿态，两舱相对位置也由磁浮机构执行控制，使两舱相对位置保持在期望的阈值内。

优选地，所述磁浮机构的数量是八个，按照四横四竖的方式正交安装，满足主从非接触双超卫星平台的载荷舱姿态控制和两舱相对位置控制。

优选地，所述磁浮机构是实现载荷舱主动超精超稳控制，平台舱位置从动控制的关键,其需要同时执行载荷舱三轴姿态控制和两舱X,Y,Z三个方向的相对位置控制，为了使二者互不影响，需要使姿态控制力矩和位置控制力相互解耦，合理分配控制指令给每个磁浮机构，根据接收的载荷舱姿态测量信息和相对位置测量信息，设计解耦控制律，以保证控制系统不发生奇异。

本发明还提供一种主从非接触双超卫星平台的最优解耦控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：检测两舱相对位置信息并反馈给解耦控制单元，解耦控制单元解算出控制指令并驱动磁浮机构使其产生控制力，使服务舱的位置相对载荷舱保持在期望的阈值内；

步骤二：检测两舱相对姿态信息并反馈给服务舱的相对姿态控制单元，控制单元通过多个相对位置信息解算出相对姿态控制指令，并驱动推力器、动量轮等安装于服务舱上的执行机构产生控制力矩，使服务舱的姿态实时跟踪载荷舱的姿态。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明采用磁浮机构实现载荷舱和服务舱非接触分舱设计，采用主从协同控制，动静隔离，实现了有效载荷的高精确指向控制和平台舱的实时随动跟踪；

(2)通过配置八个正交的磁浮机构，在实现控制功能的同时，满足结构简单，易于安装的特点；

(3)通过设计解耦控制律，采用基于最小范数的原理，求得磁浮机构的唯一最优输出向量，避免了奇异，支撑了双超卫星平台的控制系统设计。

附图说明

图1磁浮机构安装布局对比示意图。

图2解耦控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明提供的主从非接触双超卫星平台包括载荷舱1、服务舱2和非接触磁浮机构；载荷舱和服务舱结构上通过非接触式磁浮机构连接，这种连接形式保证了服务舱振动干扰不会传输至载荷舱；载荷舱专注超精超稳任务，服务舱提供平台基础服务；采取主从协同的控制方式，以载荷舱为主动控制体，进行超精超稳精控，而服务舱为从动跟踪体，随动跟踪载荷舱。

载荷舱上安装但不限于安装有效载荷、星敏感器、陀螺等安静部件和解耦控制单元104。

服务舱上安装但不限于安装驱动机构、推力器、动量轮、太阳电池阵等活动部件和相对姿态控制单元204。

磁浮机构包括永久磁铁端和线圈端，永久磁铁端与载荷舱固连，线圈端与服务舱固连，永久磁铁端和线圈端之间根据控制指令，通过电磁作用产生电磁力。

磁浮机构的永久磁铁端和线圈端利用但不限于电磁力或静电力方式，通过控制中线圈的电流变化来输出控制力，进而调节载荷舱和服务舱之间的相对位置，以及控制载荷舱的姿态。

载荷舱通过磁浮机构控制姿态，实现期望的有效载荷精确指向控制；服务舱通过安装在其上的推力器、动量轮抵抗环境干扰并随动跟踪载荷舱的姿态，使两舱达到期望的相对姿态，两舱相对位置也由磁浮机构执行控制，使两舱相对位置保持在期望的阈值内。

磁浮机构的数量但不限于配置八个，如果是八个按照四横四竖的方式正交安装，满足主从非接触双超卫星平台的载荷舱姿态控制和两舱相对位置控制。磁浮机构是实现载荷舱主动超精超稳控制，平台舱位置从动控制的关键,其需要同时执行载荷舱三轴姿态控制和两舱X,Y,Z三个方向的相对位置控制，为了使二者互不影响，需要使姿态控制力矩和位置控制力相互解耦，合理分配控制指令给每个磁浮机构，根据接收的载荷舱姿态测量信息和相对位置测量信息，设计解耦控制律，以保证控制系统不发生奇异。

本发明主从非接触双超卫星平台的最优解耦控制方法包括如下步骤：

步骤一：检测两舱相对位置信息201并反馈给相对位置控制器103，解耦控制单元104解算出控制指令并驱动磁浮机构使其产生控制力106，使服务舱的位置相对载荷舱保持在期望的阈值内，可见，八个磁浮机构产生实现期望的力和力矩指令，实现输出力的解耦。

步骤二：检测两舱相对姿态信息202并反馈给服务舱的相对姿态控制单元204，控制单元通过多个相对位置信息解算出相对姿态控制指令，并驱动推力器、动量轮等安装于服务舱上的执行机构产生控制力矩，使服务舱的姿态实时跟踪载荷舱的姿态。

根据图1所示，八个磁浮机构在主从非接触双超卫星平台上的安装形式，得到八个磁浮机构的安装位置信息矩阵，记为A，载荷舱沿X轴方向的长度，记为L1，载荷舱沿Y轴方向的长度，记为L2，载荷舱质心到磁浮机构对称中心的距离，为L，如下式(1)：

载荷舱姿态控制期望的控制力矩和两舱相对位置从动控制期望的控制力向量与磁浮机构输出力有如下关系式(2)：

AX＝B (2)

式中，A为磁浮机构安装信息矩阵，X为磁浮机构输出力向量，B为载荷舱姿控期望的控制力矩和两舱相对位置从动控制期望的控制力向量。X，B如下式(3)、(4)所示：

X＝[F_A1 F_A2 F_A3 F_A4 F_B1 F_B2 F_B3 F_B4]^T (3)

B＝[F_x F_y F_z T_x T_y T_z]^T (4)

其中，F_A1F_A2F_A3F_A4F_B1F_B2F_B3F_B4分别为八个磁浮机构输出的力，F_x,F_y,F_z分别为载荷舱X,Y,Z轴的姿态控制力矩，T_x,T_y,T_z分别为X,Y,Z三个方向的两舱相对位置控制力。

对于上述方程组AX＝B，显然矩阵的秩R(A)＝R(AB)＜n，此时，基于最小范数求解磁浮机构输出力向量的最小范数解，记为X^o，如下式(5)所示：

根据式(5)，由范数理论可得如下式(6)所示：

(6)式中：A和B如式(1)和式(4)所示，(AA^T)^-1项可表示为如下式(7)所示：

将式(7)代入(6)，并进行矩阵相乘，计算可得如下式(8)所示：

将式(8)代入式(6)显然，此时有如下式(9)所示：

||X||＝||X^o||+||X-X^o|| (9)

根据范数理论，有如下式(10)所示：

||X-X^o||≥0 (10)

则满足如下式(11)所示：

||X||≥||X^o|| (11)

显然，式(5)对应的两舱协同解耦律解析解是最优的。

步骤E：将式(5)分解成图表的形式，可以直观的看到每个磁浮机构在执行输出力和输出力矩指令时所承担的权重和效果，具体如表1示。

表1 各个磁浮力和力矩分配表

可见，八个磁浮机构产生实现期望的力和力矩指令相应输出力的解耦。

当某个磁浮机构故障时，磁浮机构产生的合力与合力矩，结果如表2所示。

表2 磁浮机构故障模式分析表

注：左侧“×”表示某个磁浮机构故障，右侧“×”表示此合力或合力矩不能实现。

经过分析可知，当仅有一个磁浮机构故障时，并不影响载荷舱六个自由度的运动，两个磁浮机构故障有28种方式，其中16种方式不影响载荷舱六个自由度的运动，因此八个磁浮机构的构型实现了磁浮机构的冗余备份，提高了可靠性。

本发明实现载荷与振源的动静隔离，进而实现载荷的超高指向精度和超高稳定度，同时采用载荷主动控制、平台从动跟踪的主从协同控制律，通过高性能磁浮机构控制载荷舱的姿态和两舱相对位置，通过安装在服务舱上的外部执行机构控制服务舱的姿态使其抵抗环境干扰并随动跟踪载荷舱。针对磁浮机构需要同时输出控制力和控制力矩，易发生耦合的难点，基于最小范数的原则为双超平台的八个磁浮机构设计控制力和力矩的最优解耦控制律，解决平台舱和载荷舱相对位置和姿态的精确控制问题。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种主从非接触双超卫星平台，其特征在于，包括载荷舱、服务舱和非接触磁浮机构；载荷舱和服务舱结构上通过非接触式磁浮机构连接，这种连接形式保证了服务舱振动干扰不会传输至载荷舱；载荷舱专注超精超稳任务，服务舱提供平台基础服务；采取主从协同的控制方式，以载荷舱为主动控制体，进行超精超稳精控，而服务舱为从动跟踪体，随动跟踪载荷舱。

2.根据权利要求1所述的主从非接触双超卫星平台，其特征在于，所述载荷舱上安装但不限于安装有效载荷、星敏感器、陀螺等安静部件和解耦控制单元。

3.根据权利要求1所述的主从非接触双超卫星平台，其特征在于，所述服务舱上安装但不限于安装驱动机构、推力器、动量轮、太阳电池阵和相对姿态控制单元。

4.根据权利要求1所述的主从非接触双超卫星平台，其特征在于，所述磁浮机构包括永久磁铁端和线圈端，永久磁铁端与载荷舱固连，线圈端与服务舱固连，永久磁铁端和线圈端之间根据控制指令，通过电磁作用产生电磁力。

5.根据权利要求4所述的主从非接触双超卫星平台，其特征在于，所述磁浮机构的永久磁铁端和线圈端利用但不限于电磁力或静电力方式，通过控制中线圈的电流变化来输出控制力，进而调节载荷舱和服务舱之间的相对位置，以及控制载荷舱的姿态。

6.根据权利要求1所述的主从非接触双超卫星平台，其特征在于，所述载荷舱通过磁浮机构控制姿态，实现期望的有效载荷精确指向控制；服务舱通过安装在其上的推力器、动量轮抵抗环境干扰并随动跟踪载荷舱的姿态，使两舱达到期望的相对姿态，两舱相对位置也由磁浮机构执行控制，使两舱相对位置保持在期望的阈值内。

7.根据权利要求1所述的主从非接触双超卫星平台，其特征在于，所述磁浮机构的数量是八个，按照四横四竖的方式正交安装，满足主从非接触双超卫星平台的载荷舱姿态控制和两舱相对位置控制。

8.根据权利要求1所述的主从非接触双超卫星平台，其特征在于，所述磁浮机构是实现载荷舱主动超精超稳控制，平台舱位置从动控制的关键,其需要同时执行载荷舱三轴姿态控制和两舱X,Y,Z三个方向的相对位置控制，为了使二者互不影响，需要使姿态控制力矩和位置控制力相互解耦，合理分配控制指令给每个磁浮机构，根据接收的载荷舱姿态测量信息和相对位置测量信息，设计解耦控制律，以保证控制系统不发生奇异。

9.一种主从非接触双超卫星平台的最优解耦控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：检测两舱相对位置信息并反馈给解耦控制单元，解耦控制单元解算出控制指令并驱动磁浮机构使其产生控制力，使服务舱的位置相对载荷舱保持在期望的阈值内；

步骤二：检测两舱相对姿态信息并反馈给服务舱的相对姿态控制单元，控制单元通过多个相对位置信息解算出相对姿态控制指令，并驱动推力器、动量轮等安装于服务舱上的执行机构产生控制力矩，使服务舱的姿态实时跟踪载荷舱的姿态。