CN108327927B - 基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法，该方法是在姿态检测系统将测定的微小卫星姿态传递给控制器后，控制器根据测定的姿态计算应施加的目标力矩，并以各反作用轮的速度作为反馈量，重新分配每个反作用轮待产生的力矩，各反作用轮执行各分配的力矩，完成微小卫星的姿态调控。本发明的方法通过将反作用轮组纳入整个控制回路中，依照反作用轮的当前转速自适应分配力矩，使得反作用轮能够在较低的转速下产生目标力矩，减少了反作用轮的振动对卫星姿态的影响。
Description
技术领域
本发明属于微小卫星姿态控制技术领域，涉及一种基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法，该方法可用于减少微小卫星反作用轮在控制中产生的振动。
背景技术
随着航天领域微小卫星的蓬勃发展，对于微小卫星姿态的控制精度要求越来越高。同时反作用轮组的技术进步也使得高精度控制成为可能。一直以来在卫星的姿态控制中，反作用轮组被视为一个理想单元，即只产生需求的力矩，而忽略其振动的影响。然而对于微小卫星而言，这种振动对于姿态的影响是不可忽略的。
一直以来，微小卫星的振动控制方法多与大型卫星相似。例如Morten PedersenTopland和Jan Tommy Gravdah等人比较的PD控制器、全局线性控制器、李雅普诺夫控制器和滑模控制器。在实际的应用中，一些立方体卫星也通常使用PID控制器作为控制方法，比如AFIT’s 6U CubeSat和27U CubeSat.Henri C.Kjellberg和E.Glenn Lightsey等人在Bevo-2.上使用一种有约束的比率力矩控制器。Yu Hanet等人利用一种自适应的控制方法来对抗CubeSat UKube-1上的执行器错误。以上的控制方法均利用反作用轮作为执行机构，但都没有考虑反作用轮的振动干扰。
在Nano-JASMINE卫星上，利用磁力矩器减少反作用轮组的角动量，从而使得反作用轮组在较低的轮速下运行。然而这种磁力矩器需要特定的安装配置，对于微小卫星具有应用的限制。综上可知，即使存在许多关于反作用轮组模型的研究，但是仍然缺少将反作用轮组模型代入整个控制回路从而减少振动影响的方法。
发明内容
微小卫星的反作用轮在姿态控制中会产生振动，这种振动将影响微小卫星的姿态，本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法，用于减少反作用轮组振动对于微小卫星姿态的影响。
传统的微小卫星姿态控制方式如图1所示：姿态检测系统将测定的微小卫星姿态传递给控制器(如：PD、SMC等)；控制器根据测定的姿态计算应施加的目标力矩；执行器(反作用轮组RWAs)接收到指令后产生目标力矩并伴随振动力矩，最终施加于微小卫星，完成微小卫星的姿态控制。传统方式未考虑反作用轮振动对微小卫星姿态的影响。
相较于传统姿态控制方式，本发明提出了一种自适应力矩分配控制方法(Adaptive Moment Distribution Control)，以反作用轮的速度作为反馈量，重新分配每个反作用轮待产生的力矩，各反作用轮执行各分配的力矩，完成微小卫星的姿态调控。该方法可在较低的轮速下产生目标力矩，从而减少了反作用轮振动对微小卫星姿态的影响。
本发明方法基于的理论如下：
反作用轮组(RWAs)的振动力矩与轮速的平方成正比，若在较低的轮速产生目标力矩，则可以减少振动力矩的影响。
一个由n个反作用轮组成的RWAs，在微小卫星的本体系(B)中将其中第i个反作用轮的旋转轴向量定义为gsi，有
gsi＝B[xsi ysi zsi]T (1)
[Gs]是一个3×n的RWAs安装矩阵，其列向量为gsi..
[Gs]＝[gs1 gs2…gsn] (2)
Ω是在惯性系(N)下反作用轮的转速向量
Ω＝[Ω1 Ω2…Ωn] (3)
在反作用轮静不平衡的谐振点处，反作用轮的振动幅度会显著增大，此时反作用轮的轮速很高，所以将此处设定为反坐轮轮速的上限。实际中选择低于谐振点的某一转速ΩU作为轮速上限(可根据经验或需要进行选取)，从而留出减速余量，当反作用轮以ΩU的转速运行时，其振动力矩应小于反作用轮能够产生的最大力矩。
将轮速超过ΩU的反作用轮称为超速轮，所有的超速轮可以构成一个“超轮速组”。而轮速在正常范围内的反作用轮，可以归为“正常轮速组”。对于两组反作用轮的操作是不同的。对超轮速组中的反作用轮，使其产生减速力矩降低轮速，对正常轮速组中的反作用轮，使其产生力矩对超轮速组减速力矩的总和进行补偿，最终产生控制微小卫星姿态的目标力矩。
对于超轮速组的反作用轮，为每一个反作用轮提供减速力矩Tdi，其中的Td是减速力矩的模量。
Tdi＝-sgn(Ωi)·Td·gsi (4)
对于正常轮速组的反作用轮，需要产生控制微小卫星姿态的目标力矩us，同时也需要对减速力矩的总和进行补偿。因此，正常轮速组应产生如下的合力矩(假设超轮速组有m个反作用轮)
正常轮速组的反作用轮安装矩阵可以表示为一个3×(n-m)的矩阵[Gs(n-m)]:
[Gs(n-m)]＝[gs1 gs2…gs(n-m)] (6)
由伪逆法分配力矩TN(3×1)，得到正常轮速组的反作用轮应产生的力矩TNW：
TNW＝Gs(n-m) T(Gs(n-m)Gs(n-m) T)-1TN (7)
显然，RWAs产生的合力矩即为目标力矩。
AMDC能产生控制卫星姿态的目标力矩，同时降低轮速。但应注意的是，正常轮速组的反作用轮数目不能小于三，且其的方位不在同一平面上。
上述方法可基于程序实现，程序启动后，传感器检测微小卫星当前姿态；PD控制器(或SMC等控制器)根据当前姿态计算目标力矩；AMDC根据反作用轮组的当前转速，将反作用轮分为正常轮速组和超速组；正常轮速组产生TNM力矩，超轮速组产生Td力矩，作用于微小卫星；之后再次检测微小卫星姿态，持续循环上述步骤。
本发明的有益效果为：
本发明的方法相比于传统的微小卫星姿态控制方法而言，将反作用轮组纳入整个控制回路中，依照反作用轮的当前转速自适应分配力矩，使得反作用轮能够在较低的转速下产生目标力矩，减少了反作用轮的振动对卫星姿态的影响。
附图说明
图1传统微小卫星姿态控制方式框图；
图2本发明的微小卫星姿态控制方式框图；
图3本发明的方法流程示意图；
图4三正装一斜装的RWAs；
图5AMDC状态机跳转示意图。
具体实施方式
通常反作用轮组由四个反作用轮构成，下面以三正装一斜装的反作用轮组为例，对本发明的方法做进一步阐述。
三正装一斜装的RWAs配置如图4所示。反作用轮分别沿X轴、Y轴、Z轴和斜轴分布，相应编号为RW1、RW2、RW3和RW4。根据之前的论述，在每次执行目标力矩前，AMDC应确定反作用轮的速度是否超限，并将反作用轮分成正常轮速组和超轮速组。根据RWAs的超速情况，RWAs的运行状态可分为五种类型：
表1RWAs的运行状态
包含四个反作用轮的RWAs，可以按照优先级的顺序，认为在某一个时刻只有一个反作用轮超过速度限制。反作用轮转速确定的优先级取决于反作用轮相对于微小卫星的安装位置。
当RW4进行速度调整时，为了保持角动量守恒其他三个反作用轮也会发生转速的变化。RW4作为斜装轮对其他的三个反作用轮的速度影响最大，因此优先约束RW4的转速。反作用轮质心与微小卫星质心的距离越远，其振动对微小卫星姿态的影响越大。因此，在实际决策中，通过质心距离来确定剩余反作用轮转速控制的优先级。
具体实施中，反作用轮正常轮速组和超轮速组的判别分配由状态机实现。
状态机的转换如图5所示。在控制的初始阶段，反作用轮的速度不超过上限(在State 5)。当有一反作用轮加速，RWAs跳转到下一个状态(例如State 4)。如果其他反作用轮超过了速度限制，状态将按优先级跳转。如果其他反作用轮均未超速，则RWAs将保持在当前状态并持续减速。当RWAs维持在某一状态时，若所有反作用轮的转速均降到一个可接受的范围内(如图中的低于ΩAL)，则RWAs可以跳回到状态5。
自适应力矩分配控制逻辑(ADMC)将利用状态机对反作用轮分组，根据当前反作用轮的转速进行状态的跳转，在产生目标力矩的同时降低轮速，从而减小反作用轮振动对微小卫星姿态的影响，最终提高卫星姿态控制的精度。
Claims (3)
1.一种基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法，其特征在于，姿态检测系统将测定的微小卫星姿态传递给控制器，控制器根据测定的姿态计算应施加的目标力矩，并以各反作用轮的速度作为反馈量，重新分配每个反作用轮待产生的力矩，各反作用轮执行各分配的力矩，完成微小卫星的姿态调控；
所述的控制器根据测定的姿态计算应施加的目标力矩，并以各反作用轮的速度作为反馈量，重新分配每个反作用轮待产生的力矩，具体为：
控制器根据反作用轮组中各反作用轮的当前转速，将反作用轮组分为正常轮速组和超轮速组；对超轮速组中的反作用轮，使其产生减速力矩降低轮速，对正常轮速组中的反作用轮，使其产生力矩对超轮速组减速力矩的总和进行补偿，最终产生控制微小卫星姿态的目标力矩；令正常轮速组中的反作用轮产生TNM力矩；令超轮速组中的反作用轮产生合力矩Td，其中每个反作用轮的力矩为Tdi，作用于微小卫星；设n为反作用轮组中反作用轮的个数，且假设其中有m个反作用轮属于超轮速组，则：
TNW＝Gs(n-m) T(Gs(n-m)Gs(n-m) T)-1TN
[Gs(n-m)]＝[gs1 gs2 K gs(n-m)]
其中，gsi为第i个反作用轮的旋转轴单位向量，
gsi＝B[xsi ysi zsi]T
xsi、ysi、zsi分别为gsi在微小卫星的本体系(B)中x、y、z坐标轴对应的分量；
正常轮速组应产生的合力矩TN为
us为由控制器计算获得的微小卫星姿态的目标力矩，
Tdi＝-sgn(Ωi)·Td·gsi
其中的Td是减速力矩的模量，Ωi为反作用轮的转速。
2.根据权利要求1所述的基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法，其特征在于，当反作用轮的转速超过ΩU，则将该反作用轮分入超轮速组，反之分入正常轮速组；所述的ΩU是指反作用轮转动时可使其振动力矩小于该反作用轮能够产生的最大力矩的转速。
3.根据权利要求1所述的基于微小卫星的反作用轮组自适应力矩分配控制方法，其特征在于，所述的正常轮速组的反作用轮数目不能小于三，且其方位不在同一平面上。
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