CN111367304A - 一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，包括如下步骤：步骤一、采用双重异构的力矩陀螺群构型进行配置，并结合实际任务需求，进行布局安装；步骤二、经姿态控制律得到指令控制力矩后，将指令控制力矩拆分为两部分，分别交由两种构型进行执行；步骤三、当两种构型中的任一构型达到卸载触发条件后，对两种构型进行角动量卸载。本发明在实现任务需求的基础上降低了对质量、功耗的需求，节省了大量的资源，具有较强的工程实用价值。

Description

一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法
技术领域
本发明涉及一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，属于飞行器姿态控制领域。
背景技术
目前飞行器空间任务日益复杂，为了保证姿态指向精度，往往配置力矩陀螺等角动量交换执行机构。对于一些具有绕特定轴快速转动任务的飞行器，要求执行机构在该轴向具有较大的可用角动量包络。在本体惯量较大，机动角速度较快的情况下，单一力矩陀螺群构型的可用角动量包络可能无法覆盖任务需求。针对此情况，工程上往往通过更改力矩陀螺选型，采用具有更大输出能力的力矩陀螺，但相应的会占用更多的星上质量资源和功耗资源。例如将50Nms的单框架力矩陀螺更换为75Nms的力矩陀螺，角动量包络增大为原来的1.5倍，但是力矩陀螺群的质量也会增加为原来的1.5倍左右，同时增加了功耗。力矩陀螺群的质量和功耗增加制约了其工程应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，在增大任务所需轴向角动量的基础上，尽量降低力矩陀螺群质量和功耗的增加，具有较强的工程实用价值。
本发明的技术解决方案是：
一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，包括如下步骤：
步骤一、采用双重异构的力矩陀螺群构型进行配置，并结合实际任务需求，进行布局安装；
步骤二、经姿态控制律得到指令控制力矩后，将指令控制力矩拆分为两部分，分别交由两种构型进行执行；
步骤三、当两种构型中的任一构型达到卸载触发条件后，对两种构型进行角动量卸载。
所述步骤一中，双重异构的力矩陀螺群构型包括五棱锥构型和平行构型。
安装时，五棱锥构型中，锥体的中间轴线与飞行器本体系的+Z方向一致，以满足系统的三轴机动需求；平行构型包括两台平行的单框架控制力矩陀螺，两台平行的单框架控制力矩陀螺同时沿飞行器本体系的+X方向配置，辅助五棱锥构型以增大在俯仰、偏航方向的角动量包络，实现俯仰、偏航方向的快速机动需求。
五棱锥构型中，可用的角动量空间球最大半径为4.2h，h为单个单框架控制力矩陀螺的额定角动量大小，其中角动量空间球是指内部无显奇异点的角动量球。
平行构型中，两台沿飞行器本体系+X方向安装的单框架控制力矩陀螺能够提供的可用角动量空间为一个空间圆面，最大半径为2h。
所述步骤二中，根据五棱锥构型和平行构型两者可用的最大角动量包络及极性，按照如下规则进行指令控制力矩的分配：
Figure BDA0002391922510000021
其中T6CMG为交由五棱锥构型进行执行的指令控制力矩部分，T2CMG为交由平行构型进行执行的指令控制力矩部分，TCx、TCy、TCz为姿态控制律得到的飞行器三轴指令控制力矩。
所述步骤三中，两种构型的卸载触发条件如下：
五棱锥构型：||h6CMG||≥4.2h
平行构型：||h2CMG||≥1.9h
式中h6CMG为五棱锥构型的三轴角动量输出、h2CMG为平行构型的三轴角动量输出。
所述步骤三中，当五棱锥构型、平行构型两种构型中任一构型达到卸载触发条件后，系统切换喷气控制，两种构型同时进行角动量卸载。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明针对绕特定轴具备快速机动任务的飞行器，公开了一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法。该方法结合了五棱锥构型单框架控制力矩陀螺群奇异简单的优点，同时考虑了在特定轴向对大角动量包络的需求，提出了一种6+2构型的双构型配置，采用五棱锥构型+平行构型分别进行力矩输出。相对于单纯使用五棱锥构型的情况，本发明设计的双重异构力矩陀螺群配置和使用方法，在实现任务需求的基础上降低了对质量、功耗的需求，节省了大量的资源，具有较强的工程实用价值。
附图说明
图1为双重异构力矩陀螺群构型配置示意图。
具体实施方式
为了实现飞行器在空间进行特定轴向的快速精准的姿态机动任务，本发明提出了一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法。
本发明包括如下步骤：
步骤一、采用双重异构的力矩陀螺群构型配置，结合实际任务需求，进行布局安装。
双重异构的力矩陀螺群构型包括五棱锥构型和平行构型。
具体为：以三轴机动，且俯仰、偏航方向具有快速机动任务的飞行器为例，本发明首先采用了经典的五棱锥构型，安装时五棱锥锥体的中间轴线与飞行器本体系的+Z方向一致，以满足系统的三轴机动需求；平行构型包括两台平行的单框架控制力矩陀螺，两台平行的单框架控制力矩陀螺同时沿飞行器本体系的+X方向配置，辅助五棱锥构型以增大在俯仰、偏航方向的角动量包络，以实现俯仰、偏航方向的快速机动需求。
如图1为双重异构力矩陀螺群构型配置示意图，图1中左侧为五棱锥构型，右侧为平行构型，
Figure BDA0002391922510000041
为8个力矩陀螺外框架轴的安装方向，β＝63.4°为五棱锥的棱与中轴线的夹角。
步骤二、经姿态控制律得到指令控制力矩后，将指令控制力矩拆分为两部分分别交由两种构型进行执行。
经典的五棱锥构型可用的角动量空间球(内部无显奇异点的角动量球)最大半径为4.2h左右，h为单个单框架控制力矩陀螺的额定角动量大小。平行构型中，两个沿+X方向安装的力矩陀螺群能够提供的可用角动量空间为一个空间圆面，最大半径为2h。根据两者可用的最大角动量包络及极性，按照如下规则进行指令控制力矩的分配。
Figure BDA0002391922510000042
其中T6CMG为交由五棱锥构型进行执行的指令控制力矩部分，T2CMG为交由平行构型进行执行的指令控制力矩部分。TCx、TCy、TCz为姿态控制律得到的飞行器三轴指令控制力矩。
步骤三、当两种构型中的某个构型达到卸载触发条件后，对两个构型进行角动量卸载。
若X方向有持续单方向力矩输出，则只有五棱锥构型部分达到卸载条件；
若Y/Z方向有持续单方向力矩输出，按照设计的控制指令分配策略，五棱锥构型和平行构型同时接近角动量饱和卸载。
设置两个构型的卸载触发条件如下：
五棱锥构型：||h6CMG||≥4.2h
平行构型：||h2CMG||≥1.9h
式中h6CMG为五棱锥构型的三轴角动量输出、h2CMG为平行构型的三轴角动量输出。
考虑整个控制系统的稳定控制，当五棱锥构型、平行构型两种构型中任一构型达到卸载触发条件后，系统切换喷气控制，两种构型同时进行角动量卸载。
本发明采用两种独立工作的力矩陀螺构型(五棱锥构型+平行构型)同时进行力矩输出。相对于单纯使用五棱锥构型情况下，通过更换力矩陀螺选型来实现角动量的提升(角动量提升1.5倍、质量提升1.5倍)，本发明角动量提升接近1.5倍，质量提升1.33倍，降低了对质量、功耗的需求，节省大量质量，具有较强的工程实用价值。
本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、采用双重异构的力矩陀螺群构型进行配置，并结合实际任务需求，进行布局安装；
步骤二、经姿态控制律得到指令控制力矩后，将指令控制力矩拆分为两部分，分别交由两种构型进行执行；
步骤三、当两种构型中的任一构型达到卸载触发条件后，对两种构型进行角动量卸载。
2.如权利要求1所述的一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，其特征在于，所述步骤一中，双重异构的力矩陀螺群构型包括五棱锥构型和平行构型。
3.如权利要求2所述的一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，其特征在于，安装时，五棱锥构型中，锥体的中间轴线与飞行器本体系的+Z方向一致，以满足系统的三轴机动需求；平行构型包括两台平行的单框架控制力矩陀螺，两台平行的单框架控制力矩陀螺同时沿飞行器本体系的+X方向配置，辅助五棱锥构型以增大在俯仰、偏航方向的角动量包络，实现俯仰、偏航方向的快速机动需求。
4.如权利要求3所述的一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，其特征在于，五棱锥构型中，可用的角动量空间球最大半径为4.2h，h为单个单框架控制力矩陀螺的额定角动量大小，其中角动量空间球是指内部无显奇异点的角动量球。
5.如权利要求4所述的一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，其特征在于，平行构型中，两台沿飞行器本体系+X方向安装的单框架控制力矩陀螺能够提供的可用角动量空间为一个空间圆面，最大半径为2h。
6.如权利要求5所述的一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，其特征在于，所述步骤二中，根据五棱锥构型和平行构型两者可用的最大角动量包络及极性，按照如下规则进行指令控制力矩的分配：
Figure FDA0002391922500000021
其中T6CMG为交由五棱锥构型进行执行的指令控制力矩部分，T2CMG为交由平行构型进行执行的指令控制力矩部分，TCx、TCy、TCz为姿态控制律得到的飞行器三轴指令控制力矩。
7.如权利要求5所述的一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，其特征在于，所述步骤三中，两种构型的卸载触发条件如下：
五棱锥构型：||h6CMG||≥4.2h
平行构型：||h2CMG||≥1.9h
式中h6CMG为五棱锥构型的三轴角动量输出、h2CMG为平行构型的三轴角动量输出。
8.如权利要求5所述的一种基于双重异构力矩陀螺群的执行机构配置及使用方法，其特征在于，所述步骤三中，当五棱锥构型、平行构型两种构型中任一构型达到卸载触发条件后，系统切换喷气控制，两种构型同时进行角动量卸载。
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