CN110471434A - 一种航天器姿态控制智能反作用飞轮及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航天器姿态控制智能反作用飞轮及其控制方法，智能反作用飞轮包括无线传输模块、电机和动量轮模块、处理器模块、数据存储模块。具体功能包括数据加密、时间同步、任务调度、控制指令解算、卸载、故障诊断、电机控制和状态存储等功能。本发明首次将反作用飞轮智能化，能够实现无缆化和智能化，从而降低航天器的质量和体积，并且有利于航天器模块化，简化了航天器的组装和测试，有利于快速制造、星载部件升级和替换。
Description
技术领域
本发明属于航天器动力学与控制技术领域，尤其涉及一种航天器姿态控制的智能反作用飞轮及其控制方法。
背景技术
随着航天任务变得复杂而多样化，其对航天器不断地提高了新的要求，如要求航天器质量小、体积小、寿命长和模块化，从而降低航天器的研制费用、缩短研制和测试周期、并为星载部件的无缆化以及部件的升级和替换奠定基础。
姿态确定与控制分系统是航天器最重要的分系统之一。姿态控制执行机构包括反作用飞轮、磁力矩器、推力器、控制力矩陀螺等，是该分系统的主要组成部分。其中，反作用飞轮是一种基于动量交换的姿态控制执行机构，具有精度高和不消耗燃料等优点，是一种常用的执行机构。传统反作用飞轮的控制力矩指令由星载计算机根据姿态测量系统输出的姿态和姿态角速度等信息以及一定的姿态控制算法计算获得。其主要特点是集中计算和管理，并且信息传输需要电缆连接。显而易见，这种传统的反作用飞轮控制架构不利于姿态确定与控制分系统的模块化和无缆化。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种航天器姿态控制智能反作用飞轮。该智能反作用飞轮通过无线通信接收和发送数据，并具有数据加密、时间同步、任务调度、控制指令解算、故障诊断、电机控制和状态存储等功能，通过分布式计算与控制可以实现无星载计算机，进一步降低航天器的体积和重量。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案；
一种航天器姿态控制智能反作用飞轮，包括：
无线传输模块，包括信息接收模块和信息发送模块，信息接收模块接收带时间标签的航天器姿态和姿态角速度、位置和速度、任务指令和卸载力矩信息，信息发送模块将加密后的智能反作用飞轮的身份信息、转速、故障信息和任务调度信息发送给相应的接收器；
电机和动量轮模块，通过电机驱动器采集反作用飞轮旋转角加速度信息，输出力矩和反作用飞轮状态；
处理器模块，用于实现控制指令解算功能、时间同步功能、任务调度功能、数据加密功能、电机控制功能和卸载功能，并结合专家系统对反作用飞轮的状态进行故障诊断；
数据存储模块，存储的信息包括固定的存储信息、处理器写入的信息和接收的信息，固定的存储信息包括智能反作用飞轮的身份信息、智能反作用飞轮转动惯量参数、航天器质量特性参数、故障数据库；处理器模块写入的信息包括任务调度信息和智能反作用飞轮状态，接收的信息包括卸载力矩、任务指令和航天器状态。
可选的，控制指令解算功能为智能反作用飞轮根据接收的任务指令、带时间标签的航天器姿态和姿态角速度、位置和速度以及卸载力矩信息，采用分布式姿态控制算法，解算控制力矩；
电机控制功能则根据解算得到的控制力矩、电机当前转速以及动量轮转动惯量实现电机转速的高精度控制；
卸载功能为智能反作用飞轮能够根据检测得到智能反作用飞轮转速和预设转速阈值判断其是否发生饱和，并在发生饱和时将饱和信息发送至其他执行机构，进行卸载；
故障诊断功能为智能反作用飞轮能够根据检测得到的反作用飞轮状态数据、预存的故障类型数据库和专家系统，判断智能反作用飞轮是否发生故障及其故障类型，实时监测智能反作用飞轮的性能特性和健康状态。
可选的，分布式姿态控制算法具体包括如下步骤：
(1)智能反作用飞轮的处理器模块从数据存储模块提取任务指令、带时间标签的航天器姿态和姿态角速度、位置和速度、航天器参数和智能反作用飞轮参数数据；
(2)处理器模块根据步骤(1)中提取的数据，并采用分布式姿态控制算法，计算得到相应通道的控制力矩uc；
(3)处理器模块根据步骤(1)中提取的数据和步骤(2)计算的控制力矩uc，根据下式计算反作用飞轮角加速度
其中，uc为相应通道的控制力矩，IRW为当前智能反作用飞轮的转动惯量，属于智能反作用飞轮参数；
(4)处理器模块将计算得到的控制力矩和反作用飞轮角加速度存入数据存储模块。
可选的，航天器状态包括航天器的姿态和姿态角速度、位置和速度。
可选的，智能反作用飞轮还包括供电电缆接口和调试端口接口，调试端口主要用于反作用飞轮软件以及状态参数注入，智能反作用飞轮与航天器通过供电电缆接口连接，调试端口在航天器在轨运行时不具任何作用。
本发明还提供了一种上述航天器姿态控制智能反作用飞轮的控制方法，包括以下智能反作用飞轮工作步骤：
(1)智能反作用飞轮启动和接入系统；
(2)每一个控制周期智能反作用飞轮接收任务指令以及航天器的姿态和姿态角速度、位置和速度以及卸载力矩信息；
(3)智能反作用飞轮饱和判断和处理；
(4)控制指令解算和力矩输出；
(5)智能反作用飞轮故障诊断；
(6)检测电机状态，存储智能反作用飞轮状态数据；
(7)发送包括智能反作用飞轮健康状态和输出力矩在内的状态数据；
(8)智能反作用飞轮结束本周期工作，进入下一个周期。
进一步的，步骤(1)包括以下步骤：
(1a)智能反作用飞轮在首次接入到航天器姿态确定和控制分系统时，智能反作用飞轮启动自检程序，自动发送身份信息，请求接入系统；
(1b)待智能反作用飞轮接入系统后，接收系统加密算法，并与系统中的其他成员进行时间同步。
进一步的，步骤(3)包括以下步骤：
(3a)判断智能反作用飞轮是否发生饱和，当智能反作用飞轮的角速度大小大于其最大角速度，即判断智能反作用飞轮发生饱和；若发生饱和，进入步骤(3b)；否则，进入步骤(4a)；
(3b)向其他执行机构发送智能反作用飞轮饱和信息；
(3c)通过接受的卸载力矩信息对智能反作用飞轮进行卸载，进入步骤(3a)。
进一步的，步骤(4)包括以下步骤：
(4a)处理器模块解算控制指令，得到控制力矩和反作用飞轮角加速度信息；其中控制力矩由处理器模块根据航天器姿态和角速度、航天器参数信息，基于分布式姿态控制算法解算得到；反作用飞轮角加速度由处理器模块根据控制力矩和智能反作用飞轮参数计算得到，计算公式如下：
其中，uc为相应通道的控制力矩，IRW为当前智能反作用飞轮的转动惯量；
(4b)处理器模块启动电机控制算法，对电机进行控制；
处理器模块采用基于电流环的PI控制和基于转速环的PI控制，抑制电机总线电压波动，并削弱非线性摩擦力矩干扰，从而控制电机；
(4c)处理器模块采用PWM驱动电机，电机带动动量轮转动，输出控制力矩；
进一步的，步骤(5)包括以下步骤：
(5a)处理器模块对电机和动量轮模块进行状态测量，根据故障数据库和专家系统进行故障诊断，若智能反作用飞轮不发生故障，进入步骤(6)；若智能反作用飞轮发生故障，则进入步骤(5b)；
(5b)若智能反作用飞轮为系统管理员，则将任务调度功能移交给航天器姿态确定和控制分系统中的其他成员；若智能反作用飞轮不是系统管理员，则向系统管理员发送故障信息，请求进行任务调度调整，进入步骤(5c)；
(5c)智能反作用飞轮等待地面人工干预进行故障排除，进入步骤(5a)。
有益效果：与现有技术相比，本发明的智能反作用飞轮通过无线通信接收和发送数据，并具有数据加密、时间同步、任务调度、控制指令解算、故障诊断、电机控制和状态存储等功能，通过分布式计算与控制可以实现无星载计算机，进一步降低航天器的体积和重量。本发明的智能反作用飞轮，以支持未来航天器即插即用、快速测试以及大规模制造和集成等应用需求。目前，国内外尚未有关于航天器姿态控制反作用飞轮的智能化和无缆化等相关研究。
附图说明
图1为本发明的智能反作用飞轮功能架构图；
图2为本发明的信息解算流程图；
图3为本发明的智能反作用飞轮工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，智能反作用飞轮包括无线传输模块、电机和动量轮模块、处理器模块、数据存储模块；处理器模块驱动电机和动量轮模块使其工作，对电机和动量轮模块进行状态测量，根据状态测量信息和从数据存储模块提取的相关信息进行数据加密、控制指令解算和故障诊断等，并将测量和解算的信息存入数据存储模块；无线传输模块将接收的信息存入数据存储模块，并从数据存储模块提取相关的信息进行信息无线发送。其中，电机和动量轮模块包括电机和电机驱动器，电机驱动器接收处理器模块的飞轮旋转角加速度等信息用于驱动电机旋转输出力矩。处理器模块具体功能包括数据加密、时间同步、任务调度、控制指令解算、卸载、故障诊断和电机控制等。存储器模块主要存储的信息包括智能反作用飞轮身份信息、反作用飞轮参数、反作用飞轮状态、航天器参数、航天器状态、故障数据库以及任务调度信息等。状态测量信息包括电机电流、轴温和转速等。
如图2所示，本发明的控制指令解算功能为：无线传输模块接收任务指令、带时间标签的航天器姿态和姿态角速度、位置和速度等信息，并将上述信息存入数据存储模块；处理器模块提取数据存储模块中的任务指令、带时间标签的航天器姿态和姿态角速度、位置和速度、航天器参数、智能反作用飞轮参数等信息，并根据分布式姿态控制算法进行控制指令解算，得到控制力矩和反作用飞轮角加速度等数据，并将解算得到的数据存入数据存储模块。存储器存储信息包括固有的存储信息1(智能反作用飞轮参数和航天器参数)、固有的存储信息2(故障数据库)、处理器模块写入的信息1(智能反作用飞轮状态)和处理器模块写入的信息2(控制力矩)；其中专家系统根据故障数据库、反作用飞轮参数以及航天器参数进行故障诊断；智能反作用飞轮参数、航天器参数、智能反作用飞轮状态和控制力矩用于电机控制；智能反作用飞轮参数、航天器参数和智能反作用飞轮状态用于卸载得到卸载力矩；智能反作用飞轮参数、航天器参数、反作用飞轮状态和航天器状态根据任务指令进行控制指令解算，输出控制力矩。
本发明的电机控制功能为：根据解算得到的控制力矩、检测得到的智能反作用飞轮状态和预存的智能反作用飞轮参数、航天器等实现电机转速的高精度控制。
卸载功能为，智能反作用飞轮能够根据检测得到智能反作用飞轮转速和预设转速阈值判断其是否发生饱和，并在发生饱和时将饱和信息发送至其他执行机构，进行卸载。
故障诊断功能为：智能反作用飞轮能够根据检测得到的反作用飞轮状态数据、航天器参数、预存的故障类型数据库和专家系统，判断智能反作用飞轮是否发生故障及其故障类型，实时监测智能反作用飞轮的性能特性和健康状态。
如图3所示，本发明包括以下智能反作用飞轮工作步骤：
(1)智能反作用飞轮启动和接入系统：
(1a)智能反作用飞轮在首次接入到航天器姿态确定和控制分系统时，智能反作用飞轮启动自检程序，自动发送身份信息，请求接入系统；
(1b)待智能反作用飞轮接入系统后，接收系统加密算法，并与系统中的其他成员进行时间同步；
(2)每一个控制周期智能反作用飞轮接收任务指令以及航天器的姿态和姿态角速度、位置和速度以及卸载力矩等信息；
(3)智能反作用飞轮饱和判断和处理：
(3a)判断智能反作用飞轮是否发生饱和，若发生饱和，进入步骤(3b)；否则，进入步骤(4a)；当智能反作用飞轮的角速度大小大于其最大角速度，即可判断智能反作用飞轮发生饱和；
(3b)向其他执行机构发送智能反作用飞轮饱和信息；
(3c)通过接受的卸载力矩信息对智能反作用飞轮进行卸载，进入步骤(3a)；
(4)控制指令解算和力矩输出：
(4a)解算控制指令，得到控制力矩和反作用飞轮角加速度等信息；其中控制力矩由处理器模块根据航天器姿态和角速度、航天器参数等信息，基于分布式姿态控制算法解算得到，分布式姿态控制算法不唯一；反作用飞轮角加速度由处理器模块根据控制力矩和智能反作用飞轮参数计算得到，计算公式如下：
其中，uc为相应通道的控制力矩，IRW为当前智能反作用飞轮的转动惯量；
(4b)启动电机控制算法，处理器采用基于电流环的PI控制和基于转速环的PI控制，抑制电机总线电压波动，并削弱非线性摩擦力矩干扰，从而控制电机；
(4c)驱动电机和动量轮，处理器采用PWM驱动电机，电机带动动量轮转动，输出控制力矩；
(5)智能反作用飞轮故障诊断：
(5a)进行故障诊断，处理器模块对电机和动量轮模块进行状态测量，根据故障数据库和专家系统进行故障诊断，若智能反作用飞轮不发生故障，进入步骤(6)；若智能反作用飞轮发生故障，则进入步骤(5b)；
(5b)若智能反作用飞轮为系统管理员，则将任务调度功能移交给航天器姿态确定和控制分系统中的其他成员；若智能反作用飞轮不是系统管理员，则向系统管理员发送故障信息，请求进行任务调度调整，进入步骤(5c)；
(5c)智能反作用飞轮等待地面人工干预进行故障排除，进入步骤(5a)；
(6)检测电机状态，存储智能反作用飞轮状态数据；
(7)发送包括智能反作用飞轮健康状态和输出力矩在内的状态数据；
(8)智能反作用飞轮结束本周期工作，进入下一个周期。
Claims (10)
1.一种航天器姿态控制智能反作用飞轮，其特征在于，包括：
无线传输模块，包括信息接收模块和信息发送模块，信息接收模块接收带时间标签的航天器姿态和姿态角速度、位置和速度、任务指令和卸载力矩信息，信息发送模块将加密后的智能反作用飞轮的身份信息、转速、故障信息和任务调度信息发送给相应的接收器；
电机和动量轮模块，通过电机驱动器采集反作用飞轮旋转角加速度信息，输出力矩和反作用飞轮状态；
处理器模块，用于实现控制指令解算功能、时间同步功能、任务调度功能、数据加密功能、电机控制功能和卸载功能，并结合专家系统对反作用飞轮的状态进行故障诊断；
数据存储模块，存储的信息包括固定的存储信息、处理器写入的信息和接收的信息，固定的存储信息包括智能反作用飞轮的身份信息、智能反作用飞轮转动惯量参数、航天器质量特性参数、故障数据库；处理器模块写入的信息包括任务调度信息和智能反作用飞轮状态，接收的信息包括卸载力矩、任务指令和航天器状态。
2.根据权利要求1所述的一种航天器姿态控制智能反作用飞轮，其特征在于：控制指令解算功能为智能反作用飞轮根据接收的任务指令、带时间标签的航天器姿态和姿态角速度、位置和速度以及卸载力矩信息，采用分布式姿态控制算法，解算控制力矩；
电机控制功能则根据解算得到的控制力矩、电机当前转速以及动量轮转动惯量实现电机转速的高精度控制；
卸载功能为智能反作用飞轮能够根据检测得到智能反作用飞轮转速和预设转速阈值判断其是否发生饱和，并在发生饱和时将饱和信息发送至其他执行机构，进行卸载；
故障诊断功能为智能反作用飞轮能够根据检测得到的反作用飞轮状态数据、预存的故障类型数据库和专家系统，判断智能反作用飞轮是否发生故障及其故障类型，实时监测智能反作用飞轮的性能特性和健康状态。
3.根据权利要求2所述的一种航天器姿态控制智能反作用飞轮，其特征在于，分布式姿态控制算法具体包括如下步骤：
(1)智能反作用飞轮的处理器模块从数据存储模块提取任务指令、带时间标签的航天器姿态和姿态角速度、位置和速度、航天器参数和智能反作用飞轮参数数据；
(2)处理器模块根据步骤(1)中提取的数据，并采用分布式姿态控制算法，计算得到相应通道的控制力矩uc；
(3)处理器模块根据步骤(1)中提取的数据和步骤(2)计算的控制力矩uc，根据下式计算反作用飞轮角加速度
其中，uc为相应通道的控制力矩，IRW为当前智能反作用飞轮的转动惯量，属于智能反作用飞轮参数；
(4)处理器模块将计算得到的控制力矩和反作用飞轮角加速度存入数据存储模块。
4.根据权利要求1所述的一种航天器姿态控制智能反作用飞轮，其特征在于，航天器状态包括航天器的姿态和姿态角速度、位置和速度。
5.根据权利要求1所述的一种航天器姿态控制智能反作用飞轮，其特征在于，智能反作用飞轮还包括供电电缆接口和调试端口接口，调试端口主要用于反作用飞轮软件以及状态参数注入，智能反作用飞轮与航天器通过供电电缆接口连接，调试端口在航天器在轨运行时不具任何作用。
6.一种权利要求1-5任一项所述航天器姿态控制智能反作用飞轮的控制方法，其特征在于，包括以下智能反作用飞轮工作步骤：
(1)智能反作用飞轮启动和接入系统；
(2)每一个控制周期智能反作用飞轮接收任务指令以及航天器的姿态和姿态角速度、位置和速度以及卸载力矩信息；
(3)智能反作用飞轮饱和判断和处理；
(4)控制指令解算和力矩输出；
(5)智能反作用飞轮故障诊断；
(6)检测电机状态，存储智能反作用飞轮状态数据；
(7)发送包括智能反作用飞轮健康状态和输出力矩在内的状态数据；
(8)智能反作用飞轮结束本周期工作，进入下一个周期。
7.根据权利要求6所述的一种航天器姿态控制智能反作用飞轮的控制方法，其特征在于，步骤(1)包括以下步骤：
(1a)智能反作用飞轮在首次接入到航天器姿态确定和控制分系统时，智能反作用飞轮启动自检程序，自动发送身份信息，请求接入系统；
(1b)待智能反作用飞轮接入系统后，接收系统加密算法，并与系统中的其他成员进行时间同步。
8.根据权利要求6所述的一种航天器姿态控制智能反作用飞轮的控制方法，其特征在于，步骤(3)包括以下步骤：
(3a)判断智能反作用飞轮是否发生饱和，当智能反作用飞轮的角速度大小大于其最大角速度，即判断智能反作用飞轮发生饱和；若发生饱和，进入步骤(3b)；否则，进入步骤(4a)；
(3b)向其他执行机构发送智能反作用飞轮饱和信息；
(3c)通过接受的卸载力矩信息对智能反作用飞轮进行卸载，进入步骤(3a)。
9.根据权利要求6所述的一种航天器姿态控制智能反作用飞轮的控制方法，其特征在于，步骤(4)包括以下步骤：
(4a)处理器模块解算控制指令，得到控制力矩和反作用飞轮角加速度信息；其中控制力矩由处理器模块根据航天器姿态和角速度、航天器参数信息，基于分布式姿态控制算法解算得到；反作用飞轮角加速度由处理器模块根据控制力矩和智能反作用飞轮参数计算得到，计算公式如下：
其中，uc为相应通道的控制力矩，IRW为当前智能反作用飞轮的转动惯量；
(4b)处理器模块启动电机控制算法，对电机进行控制；
处理器模块采用基于电流环的PI控制和基于转速环的PI控制，抑制电机总线电压波动，并削弱非线性摩擦力矩干扰，从而控制电机；
(4c)处理器模块采用PWM驱动电机，电机带动动量轮转动，输出控制力矩。
10.根据权利要求6所述的一种航天器姿态控制智能反作用飞轮的控制方法，其特征在于，步骤(5)包括以下步骤：
(5a)处理器模块对电机和动量轮模块进行状态测量，根据故障数据库和专家系统进行故障诊断，若智能反作用飞轮不发生故障，进入步骤(6)；若智能反作用飞轮发生故障，则进入步骤(5b)；
(5b)若智能反作用飞轮为系统管理员，则将任务调度功能移交给航天器姿态确定和控制分系统中的其他成员；若智能反作用飞轮不是系统管理员，则向系统管理员发送故障信息，请求进行任务调度调整，进入步骤(5c)；
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