CN110562500A - 非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法及系统，方法包括步骤如下：首先根据非合作目标起旋控制需求，将目标从初始静止状态控制到特定的初始单轴自旋状态。然后在惯性坐标系下，控制非合作目标的角动量矢量进动方向，使目标从单轴自旋状态进动至最终既自旋又章动的状态。利用脉冲宽度脉冲频率(PWPF)调节器调节控制力矩的大小保证其不超过最大容许值，最终完成起旋控制。本发明的控制方法和控制系统能够同时控制目标的角动量矢量和章动角大小，可以实现目标从任意初始位置达到所需的既自旋又章动的翻滚运动状态，为翻滚目标的后续抓捕操作提供初始条件。

Description

非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种非合作目标模拟控制方法及控制系统，属于航天器姿态地面模拟控制领域。

背景技术

在地球轨道上的空间碎片由于存在碰撞风险，对在轨工作的航天器的安全构成了极大的威胁。空间碎片通常包括失效卫星，火箭体上面级等，在太空中自由漂浮了数年甚至数十年。外太空中几乎没有大气或其他阻尼力，因此等待空间碎片自己再入大气层是非常缓慢的，已经难以遏制碎片数量增长的趋势。因此，国内外相关机构已经广泛开展了空间碎片主动清除(ADR)相关概念的研究，拟通过发射追踪航天器主动去除轨道上的碎片。这有助于减少空间碎片的碰撞风险，并保持外层空间的可持续发展。

空间碎片的一个重要特征是其存在的翻滚运动，翻滚运动的成因复杂，目标失效前剩余动量释放以及和轨道上的摄动力矩会造成目标产生翻滚运动。目前观测的目标翻滚速率从每秒几度到几十度不等。对目标进行捕获和消旋时先期要开展地面实验。需要对空间碎片的三维翻滚运动进行地面模拟，然后才能验证各种在轨捕获和消旋技术。刘厚德等(自主捕获中自旋目标运动特性分析与地面模拟方法，机器人，35(1)，2013.)提出了一种通过机械臂的多个关节的组合控制来复现非合作目标的翻滚运动。该方法仅仅是运动学模拟，对于目标受力后姿态的动力学演变需要借助外部的力、力矩测量系统反馈到机械臂各关节电机进行执行，关节柔性，摩擦力及测量、执行机构误差都会对模拟结果产生干扰，且机械臂的某些极限位置处存在奇异性问题。因此实际实验中多采用气浮球轴承来进行航天器的姿态和轨道机动模拟，气浮球轴承在工作范围内不存在奇异点，能够很好的模拟目标的受力后的姿态变化情况。王新民等(一种欠驱动的卫星消旋控制方法，中国专利201310036287)提出用喷气的方式对卫星进行消旋控制，但若用于消旋的逆过程——起旋控制时，需要根据目标的起始姿态及最终需要满足的自旋和章动情况重新设计控制算法。

利用三自由度气浮球轴承系统及喷气姿控系统对非合作目标三维翻滚运动进行起旋模拟时首要问题是起旋模拟的控制问题。起旋模拟控制的难点在于让目标从任意初始位置达到所需的既自旋又章动的运动状态，控制变量为目标的角动量矢量和章动角大小。传统的消旋控制方法仅针对目标的角速度矢量或章动角其中之一进行控制，因此消旋控制算法直接反过来用于角动量矢量及章动角两个变量的起旋控制难以满足要求，需要根据任务需求重新设计非合作目标三自由度翻滚运动起旋控制算法。

发明内容

本发明的目的是：为了解决非合作目标姿态地面模拟时的消旋控制方法难以直接应用于目标起旋控制的问题，提出了一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法及系统，同时控制目标角动量矢量和章动角的起旋，该控制方法及系统利用地面气浮模拟平台及喷气动力作为动力源，可以模拟非合作目标从任意初始静止位置达到所需的既存在自旋又存在章动的翻滚运动状态，为翻滚目标的后续抓捕操作提供初始条件。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法，包括以下步骤：

步骤一、根据非合作目标起旋控制需求，将非合作目标从初始静止状态控制到角动量矢量为H₀的初始单轴自旋状态；

步骤二、在惯性坐标系下，施加控制力矩T控制非合作目标的角动量矢量进动方向为ΔH＝H_d-H₀，使非合作目标从单轴自旋状态进动至最终既自旋又章动的状态；

步骤三、利用脉冲宽度脉冲频率调节器调节控制力矩T的大小不超过最大容许值T_max，当非合作目标角动量矢量H和章动角θ与最终需要的角动量矢量H_d、章动角θ_d之间的差值小于容许误差ε时，起旋控制完成。

非合作目标起旋控制需求为：将非合作目标从任意初始静止的位置，初始姿态角为控制到翻滚运动状态，翻滚运动状态中非合作目标的角动量矢量为H_d，章动角大小为θ_d；θ₀,ψ₀分别为非合作目标的初始滚转角、俯仰角和偏航角；

其中，H₀，H_d，θ_d满足如下公式：

所述步骤二中，控制力矩的施加的时机根据非合作目标在进动时自旋轴O_zb与角动量矢量H₀是否重合来判别。

所述步骤二中，非合作目标控制力矩施加的时机满足如下公式：

其中，O_zb为非合作自旋轴方向矢量，表明仅当目标的自旋轴O_zb在一个运动周期内的方向与初始角动量H₀一致旋转时才启动喷气控制。

步骤二中，非合作目标控制力矩T的方向满足：

T＝ΔH＝H_d-H₀。

一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制系统，包括：

第一模块，用于根据非合作目标起旋控制需求，将非合作目标从初始静止状态控制到角动量矢量为H₀的初始单轴自旋状态；

第二模块，用于在惯性坐标系下，施加控制力矩T控制非合作目标的角动量矢量进动方向为ΔH＝H_d-H₀，使非合作目标从单轴自旋状态进动至最终既自旋又章动的状态；

第三模块，利用脉冲宽度脉冲频率调节器调节控制力矩T的大小不超过最大容许值T_max，当非合作目标角动量矢量H和章动角θ与最终需要的角动量矢量H_d、章动角θ_d之间的差值小于容许误差ε时，起旋控制完成。

非合作目标起旋控制需求为：将非合作目标从任意初始静止的位置，初始姿态角为控制到翻滚运动状态，翻滚运动状态中非合作目标的角动量矢量为H_d，章动角大小为θ_d；θ₀,ψ₀分别为非合作目标的初始滚转角、俯仰角和偏航角；

其中，H₀，H_d，θ_d满足如下公式：

所述第二模块中，控制力矩的施加的时机根据非合作目标在进动时自旋轴O_zb与角动量矢量H₀是否重合来判别。

所述第二模块中，非合作目标控制力矩施加的时机满足如下公式：

其中，O_zb为非合作自旋轴方向矢量，表明仅当目标的自旋轴O_zb在一个运动周期内的方向与初始角动量H₀一致旋转时才启动喷气控制。

所述第二模块中，非合作目标控制力矩T的方向满足：T＝ΔH＝H_d-H₀。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明的控制方法和系统解决了非合作目标起旋控制的问题，对任意初始状态的非合作目标均能实现达到最终角动量矢量H_d章动角θ_d的起旋驱动过程。

(2)本发明的控制方法和系统在考虑到非合作目标章动角控制方程中特征矩阵非正定的问题，在惯性系下控制非合作目标角动量矢量的进动方向实现角动量矢量和章动角同时控制。

(3)本发明提出了角动量矢量和章动角同时控制时喷气控制力矩的施加时机判断方法，根据非合作目标自旋轴相对角动量矢量的运动情况确定控制力矩施加的时机，保证最终角动量矢量和章动角收敛于目标值。该方法为空间翻滚非合作目标翻滚运动状态的起旋控制提供了理论依据。

附图说明

图1为本发明非合作目标翻滚运动起旋模拟时角动量和章动角控制系统设计示意图。

图2为本发明所针对的非合作目标受到控制力矩时在惯性系中角动量的进动示意图。

图3为本发明中非合作目标角动量及章动控制流程图。

图4为本发明实施过程中非合作目标自旋轴Oz_b及角动量进动轨迹示意图。

图5为本发明实施过程中非合作目标在惯性系下角动量变化示意图。

图6为本发明实施过程中非合作目标章动角变化示意图。

图7为本发明实施过程中非合作目标本体角速度变化示意图。

图8为本发明实施过程中非合作目标xyz三轴控制力矩分量示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1，图2和图3所示，本实施例所涉及的一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：根据非合作目标起旋控制需求，将非合作目标从初始静止状态控制到角动量矢量为H₀初始单轴自旋状态。

非合作目标起旋控制需求为，将非合作目标从任意初始静止的位置(姿态角为 θ₀,ψ₀分别为非合作目标的初始滚转角、俯仰角和偏航角；)控制到翻滚运动状态，即最终非合作目标的角动量矢量为H_d，章动角大小为θ_d。为达到最终的控制需求，本步骤中首先将目标从静止状态控制到初始单轴自旋状态，自旋角动量矢量为H₀，特征在于H₀需满足与最终目标的角动量矢量为H_d所成夹角为最终的章动角为θ_d。

第二步，在惯性坐标系下，控制非合作目标的角动量矢量进动方向为ΔH＝H_d-H₀，使目标从单轴自旋状态进动至最终既自旋又章动的状态。其特征在于控制力矩的施加的时机要根据非合作目标在进动时自旋轴O_zb的与角动量矢量H₀是否重合来判别。姿态控制算法的推导过程如下：

目标姿态动力学方程在本体系中可以表示为欧拉方程

其中，ω是非合作目标的角速度，I是非合作目标的惯量矩阵。对于轴对称目标，I＝diag[I_x,I_y,I_z]，I_x,I_y,I_z分别为非合作目标的惯量矩阵的三轴分量。T是非合作目标的控制力矩输入。

目标章动角θ可以通过下式计算

其中，H_x、H_y、H_z分别为非合作目标角动量H三轴的分量；ω_x,ω_y和ω_z表示目标角速度ω的三个轴分量。公式(3)可以变化为以下形式

其中A＝diag[I_x ²,I_y ²,-tan²θ_d]。由于特征矩阵A不是正定矩阵，控制目标章动角最终为θ_d也即f(θ)收敛到0并同时控制非合作目标角动量H最终达到H_d很难完成。

因此本发明中提出了在惯性坐标系下，控制力矩方向为非合作目标的角动量矢量进动方向ΔH＝H_d-H₀的控制方法，控制方法的目标函数如下：

Minimize|H-H_d|+|θ-θ_d|

Subject to|T_i|≤T_max,i＝x,y,z (5)

其中H为非合作目标角动量，H_d为非合作目标最终需要达到的角动量矢量，θ为非合作目标的章动角，θ_d为非合作目标最终需要达到的章动角，T_i为对非合作目标施加的x,y,z方向的控制力矩，T_max为非合目标施加的控制力矩的最大容许值。

非合作目标控制力矩矢量T的方向满足

T＝ΔH＝H_d-H₀ (6)

非合作目标控制力矩施加的时机满足

其中O_zb为非合作自旋轴方向矢量，公式(7)表明仅当目标的自旋轴O_zb在一个运动周期内的方向与初始角动量H₀一致旋转时才启动喷气控制。

第三步，利用脉冲宽度脉冲频率(PWPF)调节器调节控制力矩T的大小不超过最大容许值T_max，一旦非合作目标角动量矢量H和章动角θ与最终需要的角动量矢量H_d、章动角θ_d之间的差值小于容许误差ε，认为起旋控制完成，目标达到翻滚运动状态。

一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制系统，包括：

第一模块，用于根据非合作目标起旋控制需求，将非合作目标从初始静止状态控制到角动量矢量为H₀的初始单轴自旋状态；

第二模块，用于在惯性坐标系下，施加控制力矩T控制非合作目标的角动量矢量进动方向为ΔH＝H_d-H₀，使非合作目标从单轴自旋状态进动至最终既自旋又章动的状态；

第三模块，利用脉冲宽度脉冲频率调节器调节控制力矩T的大小不超过最大容许值T_max，当非合作目标角动量矢量H和章动角θ与最终需要的角动量矢量H_d、章动角θ_d之间的差值小于容许误差ε时，起旋控制完成。

实施例：

以非合作目标惯量阵I为diag(1,1,1.5)kg·m²，非合作目标初始欧拉角为[-20,0,0]°，非合作目标初始角速度ω为[0,0,30]deg/s，非合作目标初始单轴自旋角动量H₀为[0,0.269,0.738]N·m·s，非合作目标最终角动量H_d为[0,0,1.2]N·m·s，非合作目标为最终章动角θ_d为20°，非合作目标控制力矩最大容许值T_m为0.1N·m，控制容许误差ε为0.01为例进行仿真。

图4、图5所示为非合作目标自旋轴轨迹和角动量数值可以看出目标角动量方向和大小最终收敛于H_d方向，图6所示为目标章动角最终收敛至20°，图7所示为目标三轴角速度由初始单自旋状态最终为翻滚运动状态，图8所示为非合作目标三轴控制力矩，可以看出各方向控制力矩均为超过最大容许值0.1N·m。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据非合作目标起旋控制需求，将非合作目标从初始静止状态控制到角动量矢量为H₀的初始单轴自旋状态；

步骤二、在惯性坐标系下，施加控制力矩T控制非合作目标的角动量矢量进动方向为ΔH＝H_d-H₀，使非合作目标从单轴自旋状态进动至最终既自旋又章动的状态；

步骤三、利用脉冲宽度脉冲频率调节器调节控制力矩T的大小不超过最大容许值T_max，当非合作目标角动量矢量H和章动角θ与最终需要的角动量矢量H_d、章动角θ_d之间的差值小于容许误差ε时，起旋控制完成。

2.根据权利要求1所述的一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法，其特征在于：非合作目标起旋控制需求为：将非合作目标从任意初始静止的位置，初始姿态角为控制到翻滚运动状态，翻滚运动状态中非合作目标的角动量矢量为H_d，章动角大小为θ_d；θ₀,ψ₀分别为非合作目标的初始滚转角、俯仰角和偏航角；

其中，H₀，H_d，θ_d满足如下公式：

3.根据权利要求1或2所述的一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法，其特征在于：所述步骤二中，控制力矩的施加的时机根据非合作目标在进动时自旋轴O_zb与角动量矢量H₀是否重合来判别。

4.根据权利要求3所述的一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法，其特征在于：所述步骤二中，非合作目标控制力矩施加的时机满足如下公式：

其中，O_zb为非合作自旋轴方向矢量，表明仅当目标的自旋轴O_zb在一个运动周期内的方向与初始角动量H₀一致旋转时才启动喷气控制。

5.根据权利要求4所述的一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制方法，其特征在于：步骤二中，非合作目标控制力矩T的方向满足：

T＝ΔH＝H_d-H₀。

6.一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制系统，其特征在于，包括：

第一模块，用于根据非合作目标起旋控制需求，将非合作目标从初始静止状态控制到角动量矢量为H₀的初始单轴自旋状态；

第二模块，用于在惯性坐标系下，施加控制力矩T控制非合作目标的角动量矢量进动方向为ΔH＝H_d-H₀，使非合作目标从单轴自旋状态进动至最终既自旋又章动的状态；

第三模块，利用脉冲宽度脉冲频率调节器调节控制力矩T的大小不超过最大容许值T_max，当非合作目标角动量矢量H和章动角θ与最终需要的角动量矢量H_d、章动角θ_d之间的差值小于容许误差ε时，起旋控制完成。

7.根据权利要求6所述的一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制系统，其特征在于：非合作目标起旋控制需求为：将非合作目标从任意初始静止的位置，初始姿态角为控制到翻滚运动状态，翻滚运动状态中非合作目标的角动量矢量为H_d，章动角大小为θ_d；θ₀,ψ₀分别为非合作目标的初始滚转角、俯仰角和偏航角；

其中，H₀，H_d，θ_d满足如下公式：

8.根据权利要求6或7所述的一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制系统，其特征在于：所述第二模块中，控制力矩的施加的时机根据非合作目标在进动时自旋轴O_zb与角动量矢量H₀是否重合来判别。

9.根据权利要求8所述的一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制系统，其特征在于：所述第二模块中，非合作目标控制力矩施加的时机满足如下公式：

其中，O_zb为非合作自旋轴方向矢量，表明仅当目标的自旋轴O_zb在一个运动周期内的方向与初始角动量H₀一致旋转时才启动喷气控制。

10.根据权利要求9所述的一种非合作目标三维翻滚运动起旋模拟喷气控制系统，其特征在于：所述第二模块中，非合作目标控制力矩T的方向满足：T＝ΔH＝H_d-H₀。