CN115114570A - 引力参考传感器测试质量块的静电致动和控制 - Google Patents

引力参考传感器测试质量块的静电致动和控制 Download PDF

Info

Publication number
CN115114570A
CN115114570A CN202210248121.2A CN202210248121A CN115114570A CN 115114570 A CN115114570 A CN 115114570A CN 202210248121 A CN202210248121 A CN 202210248121A CN 115114570 A CN115114570 A CN 115114570A
Authority
CN
China
Prior art keywords
proof mass
actuating
attitude
actuation
force
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210248121.2A
Other languages
English (en)
Inventor
托比亚斯·齐格勒
尼科·布兰特
西蒙·德尔尚布尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Airbus Defence and Space GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Defence and Space GmbH filed Critical Airbus Defence and Space GmbH
Publication of CN115114570A publication Critical patent/CN115114570A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/10—Artificial satellites; Systems of such satellites; Interplanetary vehicles
    • B64G1/105—Space science
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G06F17/13—Differential equations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/10—Artificial satellites; Systems of such satellites; Interplanetary vehicles
    • B64G1/105—Space science
    • B64G1/1057—Space science specifically adapted for astronomy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting
    • G01V7/02—Details
    • G01V7/04—Electric, photoelectric, or magnetic indicating or recording means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/64—Systems for coupling or separating cosmonautic vehicles or parts thereof, e.g. docking arrangements
    • B64G1/645—Separators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

描述了用于利用多个致动和感测装置(22)捕获航天器(1)的电极壳体(12)内的测试质量块(50)的系统和方法。该方法包括：确定测试质量块(50)相对于致动和感测装置(22)的位置和/或姿态，以及确定用于通过由致动和感测装置(22)生成的静电力将测试质量块(50)移动至致动和感测装置(22)之间的期望位置和/或姿态的控制电压，其中，基于所检测到的测试质量块(50)在致动和感测装置(22)之间的位置和/或姿态来确定用于移动测试质量块所需的静电力和用于将测试质量块(50)移动至期望位置的控制电压。

Description

引力参考传感器测试质量块的静电致动和控制
技术领域
本说明书涉及用于相对于电极壳体捕获和控制测试质量块的系统和方法，特别地，涉及用于静电致动和控制外太空中的航天器应用中的引力参考传感器测试质量块的系统和方法。
背景技术
引力波天文学的最新突破(例如通过基于地面的激光干涉引力波天文台(LIGO)探测器网络首次直接探测到来自碰撞双黑洞的引力波)之后很快就有了对各种源的更多观测，包括中子星碰撞，这也可以通过其他天文学手段进行追踪。结果表明，这种所谓的多信使天文学在回答来自物理学和天文学的基本问题方面非常有效。由于地震干扰无处不在，接地探测器(Earth-bound detector)被限于10Hz以上的频率。大多数引力波源的频率预计在10-4Hz与1Hz之间，这是通过基于空间的长臂干涉仪(例如计划中的激光干涉空间天线(LISA)空间天文台)所解决的测量频带。
顶级LISA科学要求旨在基于干涉仪端点之间的激光干涉测量实现基于空间的引力波(GW)天文台。干涉仪可以由三个线性独立的干涉仪臂合成，其中臂长约为250万千米。干涉仪臂的端点由沿其大地测量学移动的自由飞行的测试质量块实现。由GW引起的测试质量块之间的与应变相关的臂长变化可以经由干涉仪中的光路长度测量来监测。
测试质量块通常在航天器的发射和转移阶段(例如，从航天器与运载火箭分离之后直到将航天器注入其预期科学轨道的时段)期间被锁固到其最终轨道，使得测试质量块不会损坏航天器内的敏感传感器中的任何一个。当航天器到达外太空中的预期位置时，然后测试质量块被释放成自由飞行。当测试质量块被释放时，它们可能被施加有推动力，这导致平移或旋转移动。为了避免损坏航天器上的传感器，需要在可能的碰撞之前捕获测试质量块。
发明内容
尽管如此，可以将以下视为目的：提供具有提高的可靠性的控制系统，用于在从锁固机构释放测试质量块之后有效地捕获测试质量块，并使测试质量块相对于载有测试质量块的航天器处于期望位置和/或姿态。
提供了一种用于在测试质量块释放成自由落体之后静电捕获和控制测试质量块的位置和/或姿态的控制系统。
参照控制系统描述的许多特征可以实现为方法步骤，反之亦然。因此，在控制系统的上下文中提供的描述也以类似的方式适用于利用多个致动和感测装置捕获航天器的电极壳体内的测试质量块的方法。
根据一个方面，提供了一种用于在测试质量块释放成自由落体之后静电捕获和控制测试质量块的位置和/或姿态的控制系统，该控制系统包括：锁固机构，其用于保持和释放测试质量块；多个致动和感测装置；具有腔部的电极壳体，腔部被配置成用于接纳测试质量块；以及控制器，其电连接至致动和感测装置中的每一个。致动和感测装置被安装至电极壳体，使得至少一个致动和感测装置被布置在腔部的每一侧处。致动和感测装置被配置成检测腔部中的测试质量块相对于电极壳体的位置和/或姿态。致动和感测装置被配置成响应于测试质量块改变其相对于电极壳体的位置和/或姿态而将静电力施加至测试质量块。控制器包括控制模块和致动模块。控制器被配置成接收测试质量块相对于电极壳体的位置和/或姿态值。控制模块被配置成基于所接收到的位置和/或姿态值并考虑测试质量块相对于电极壳体的期望位置和/或姿态，确定用于施加至测试质量块的静电力。并且致动模块被配置成生成用于以基于由控制模块确定的静电力和所接收到的位置和/或姿态值的控制电压来驱动致动和感测装置的控制命令。
通常，测试质量块应该在与电极壳体或致动和感测装置中的任何一个没有任何接触的情况下位于电极壳体中。测试质量块可以用于外太空中的测量装置。然而，对于某些测量，测试质量块必须处于所谓的自由落体，即在与周围航天器没有任何接触的情况下自由移动。本文中描述的控制系统用于使测试质量块相对于电极壳体以及致动和感测装置处于期望位置。期望位置可以由测试质量块与航天器和/或其他测试质量块或物体的相对位置确定。例如，测量装置可以包括三个航天器，航天器中的每一个均包含测试质量块，其中测试质量块布置在三角形的角落处。使测试质量块处于预定的或期望的位置和姿态，并且控制包含测试质量块的航天器，使得航天器与测试质量块一起移动，并且一方面电极壳体与致动和感测装置之间没有物理接触并且另一方面电极壳体与测试质量块之间没有物理接触。
致动和感测装置可以包括致动装置和感测装置。致动装置被配置成将力，特别是通过静电方式，施加至测试质量块上，并且感测装置被配置成感测测试质量块的位置。感测装置可以通过以静电方式感测到测试质量块或其表面之一的距离来感测测试质量块的位置。然而，致动和感测装置可以包括使用其他感测原理来检测测试质量块的位置的感测装置例如光学传感器或其他传感器。
控制器基于从致动和感测装置接收的测试质量块位置和/或姿态信息生成用于致动和感测装置的控制命令，并根据控制命令向致动和感测装置提供控制电压。测试质量块的实际位置和/或姿态被感测，并且被用于生成用于致动和感测装置的控制命令和相应电压值。生成用于致动和感测装置的控制命令分两个步骤完成：在第一步骤中，控制模块在考虑测试质量块的实际位置和/或姿态以及期望的位置和/或态度的情况下确定所需的静电力；在第二步骤中，由致动模块在考虑所需的静电力和测试质量块的实际位置和/或姿态的情况下确定用于命令所需的控制电压的控制命令。因此，在确定所需的静电力时以及在确定用于控制电压的控制命令时，考虑测试质量块的当前位置和/或姿态。控制模块和致动模块两者都被馈送有所确定的测试质量块的(当前)位置和/或姿态，并且在控制系统内的测试质量块的高阶静电模型中使用该当前位置和/或姿态，以便对测试质量块施加用于使其处于期望的位置和/或姿态的力。然而，高阶模型不仅用于最小化控制误差，还用于控制模块和致动模块中来以更准确的方式确定所需的静电力和控制电压，以便将测试质量块移动到期望的位置和/或姿态。
致动和感测装置由电压信号驱动。测试质量块与致动和感测装置间隔开。基于测试质量块相对于致动和感测装置的相对位置和姿态，通过致动和感测装置向测试质量块施加静电力和/或扭矩，以便在电极壳体内移动和/或旋转测试质量块，以使其处于期望的位置和/或姿态。由致动和感测装置施加到测试质量块上的静电力施加使测试质量块在电极壳体内移动和/或旋转的力。多个致动和感测装置可以被放置成与测试质量块的每个表面相对，使得通过选择性地向致动和感测装置供应电源电压，可以由致动和感测装置向测试质量块施加期望的力和/或扭矩。例如，根据用于使测试质量块处于期望位置所需的力和/或扭矩，电源电压可以针对每个致动和感测装置而变化。
当测试质量块从锁固机构释放时，特别地，致动和感测装置可以用于停止测试质量块的不期望的移动和/或旋转，该锁固机构在航天器的启动和行进阶段期间将测试质量块保持在适当位置。由于测量设备敏感，测试质量块在启动和行进阶段期间可以被锁固，以避免损坏测量设备。当测试质量块从锁固位置释放时，它可以获得来自锁固机构的推动力并且可以移动。需要停止这种移动，并使测试质量块处于期望位置，例如，处于电极壳体的中心(与测试质量块的每一侧等距离)或针对科学仪器的任何其他所需的位置或最佳点，以实现科学测量或用于仪器校准目的。
致动和感测装置还能够检测测试质量块表面与和相应测试质量块表面相对的致动和感测装置之间的距离。
可以随时间获取测试质量块的位置和/或姿态，使得可以确定位置和/或姿态随时间的变化，即测试质量块的移动速度。
根据实施方式，控制系统还包括信号注入装置。信号注入装置被配置成将信号施加至测试质量块。施加的信号可以被称为注入信号。致动和感测装置被配置成检测由测试质量块发出的信号，基于所检测到的信号生成距离信号，并将距离信号传输至控制器，其中距离信号可以由电容值指示。控制器被配置成基于距离信号确定测试质量块与腔部的每一侧上的致动和感测装置之间的距离，以确定测试质量块相对于电极壳体的位置和/或姿态。
信号注入装置将电压信号施加至测试质量块。测试质量块优选地由导电材料制成。当信号注入装置将信号注入测试质量块时，致动和感测装置接收由测试质量块发出的信号。
例如，注入至测试质量块的信号将电流和/或电压感应(induce)至致动和感测装置中。感应的电流和/或电压是测试质量块与每个致动和感测装置之间的距离的度量。致动和感测装置与测试质量块之间的实际距离可以基于从校准过程中得出的电压值和/或电流值来确定。
控制器确定测试质量块相对于电极壳体和/或致动和感测装置的距离以用于生成控制命令。特别地，控制模块和致动模块不使用零阶静电模型，该零阶静电模型基于测试质量块位于腔部中心的假设，但这些模块使用高阶静电模型来确定所需的静电力以及用于在测试质量块的实际位置处向测试质量块施加力的控制命令/控制电压。对于零阶模型，如果测试质量块不在腔部的中心，即偏离中心并且与其他致动和感测装置相比更靠近一些致动和感测装置，则施加至测试质量块的力可能不合适。
提供来自注入装置的信号和用于产生静电力的信号，使得它们可以彼此区分。
注意，本实施方式的信号注入装置特别地在感测装置通过使用静电方式检测测试质量块的位置时实现。然而，对于其他类型的传感器，信号注入装置可能不是必需的。
根据另一实施方式，信号注入装置包括布置在腔部的至少两侧处的多个注入电极。
在该实施方式中，信号以无线方式施加至测试质量块。注入电极与测试质量块间隔开，并且信号经由注入电极与测试质量块之间的间隙将电流和/或电压感应至测试质量块中。将信号注入测试质量块以用于感测目的，即检测测试质量块与致动和感测装置之间的距离。
注入电极可以布置在致动和感测装置旁边，使得它们与致动和感测装置一起面向测试质量块的侧表面。在一个实施方式中，注入电极被布置成使得它们面向测试质量块的两对相对侧表面(例如，第一对：至少一个注入电极面向上表面并且至少一个注入电极面向下表面；第二对：至少一个注入电极面向左表面并且至少一个注入电极面向右表面；可选地，可以放置第三对注入电极，使得至少一个注入电极面向前表面并且至少一个注入电极面向后表面)。
然而，在可替选的实施方式中，可以经由有线连接将信号供应至测试质量块。可以将细线连接至测试质量块，并且经由细线将信号供应至测试质量块。
根据另一实施方式，通过至少三个致动和感测装置施加沿空间轴和围绕空间轴的力/扭矩对。
控制系统中可以包括可以被称为电极的多个致动和感测装置。然而，为了施加沿x轴的一定的力和/或围绕z轴的扭矩，在使用这些电极中的三个电极时可能就足够了。这三个电极可以被选择性地激活以将期望的力和/或扭矩施加至测试质量块。使用至少三个其他电极来施加沿y轴的力和/或围绕x轴的扭矩，并且使用另外至少三个电极来施加沿z轴的力和/或围绕y轴的扭矩。
根据另一实施方式，控制器被配置成生成使电极向测试质量块同时施加沿至少一个空间轴的力以及围绕至少一个空间轴的扭矩的控制命令。
如本文中所述的控制系统同时生成力和扭矩，使得测试质量块同时移动和旋转。因此，由控制器同时命令横向位移和旋转移动。特别地，没有特定的占空比以及对测试质量块施加力和扭矩的顺序次序。
根据另一实施方式，控制器被配置成动态地分配施加至测试质量块的力和/或扭矩。
可以动态地分配由控制器命令的力和扭矩的量。特别地，到测试质量块的力和扭矩的量的动态分配可以通过考虑测试质量块的位置和/或姿态以及/或者测试质量块的位置和/或姿态随时间的变化来完成。
根据另一实施方式，控制模块被配置成生成用于以基于一组多项式或基于查找表的控制电压来驱动致动和感测装置的控制命令。
查找表可以填充有如以下的值：测试质量块的当前位移和用于处理测试质量块的相应位移(即用于停止测试质量块的移动并使测试质量块处于期望位置(在电极壳体的腔部中居中))的每个致动和感测装置的电压值。测试质量块的每个位移可以被分配有用于每个致动和感测装置的控制电压。所述一组多项式和查找表描述了由控制模块和致动模块使用的高阶静电模型。
根据另一实施方式，控制器被配置成确定致动和感测装置与测试质量块之间的电容的电容值和电容梯度，以生成用于以测试质量块的当前位置和姿态处的控制电压来驱动致动和感测装置的控制命令。
根据另一方面，提供了一种用于在测试质量块释放成自由落体之后静电捕获和控制测试质量块的位置和/或姿态的控制系统。该控制系统包括：锁固机构，其用于保持和释放测试质量块；多个致动和感测装置；具有腔部的电极壳体，腔部被配置成用于接纳测试质量块；以及控制器，其电连接至致动和感测装置中的每一个。致动和感测装置被安装至电极壳体，使得至少一个致动和感测装置被布置在腔部的每一侧处。致动和感测装置被配置成检测腔部中的测试质量块相对于电极壳体的位置和/或姿态。致动和感测装置被配置成响应于测试质量块改变其相对于电极壳体的位置和/或姿态而将静电力施加至测试质量块。控制器包括控制模块和致动模块。控制器被配置成接收测试质量块相对于电极壳体的位置和/或姿态值。控制模块被配置成生成使致动和感测装置向测试质量块同时施加沿至少一个空间轴的力和围绕至少一个空间轴的扭矩的控制命令。控制器被配置成动态地分配施加至测试质量块的力和/或扭矩。特别地，控制器被配置成将可能受限于电压供应的最大可用电压动态地分配给将力/扭矩对施加至测试质量块的致动和感测装置。
在这方面，可以动态地分配由控制器命令的力和扭矩的量。特别地，到测试质量块的力和扭矩的量的动态分配可以通过考虑测试质量块的位置和/或姿态的变化以及/或者测试质量块的位置和/或姿态随时间的变化来完成。
因此，致动和感测装置不限于施加基于静态分配的控制电压的力，而是可以针对每个力/扭矩对将电源的可用总电压动态地分配给致动装置，使得不同的或单独的致动和感测装置中的致动装置将单独确定的力和/或扭矩的量施加至测试质量块。因此，沿x轴的力和围绕Φ轴的扭矩可以单独地分配并施加至测试质量块。其他两个力/扭矩对也是如此。这提高了控制测试质量块的位置和/或姿态的准确性和效率。
根据另一方面，提供了一种航天器，该航天器包括如本文中所述的控制系统和测试质量块。测试质量块位于电极壳体的腔部中，其中锁固机构将测试质量块保持在适当位置。
该方面描述了具有在航天器的启动和运输阶段处于适当位置的测试质量块的航天器。测试质量块被锁固，即保持在腔部内的适当位置。一旦航天器到达外太空中的预期位置并可以开始测量，测试质量块就被释放成自由落体。在该释放过程期间，测试质量块可以接收来自锁固机构的机械部件的推动力。为了避免因测试质量块的移动而造成的任何损坏，致动和感测装置捕获测试质量块并使其处于电极壳体内的其预期位置。
根据另一方面，提供了一种用于利用多个致动和感测装置捕获航天器的电极壳体内的测试质量块的方法。该方法包括以下步骤：确定测试质量块相对于致动和感测装置的位置和/或姿态；针对每个致动和感测装置，确定用于通过由致动和感测装置生成的静电力将测试质量块移动至致动和感测装置之间的期望位置和/或姿态的控制电压；其中，用于将测试质量块移动至期望位置的控制电压是基于检测到的致动和感测装置与测试质量块之间的位置和/或姿态来确定的；将控制电压施加至每个致动和感测装置。
该方法的步骤对应于本文中所描述的控制系统或其部件的功能。各个功能的细节在此不再重复。参考对控制系统的详细描述。然而，应当理解，控制系统的实施方式也可以涉及方法步骤。
根据实施方式，该方法还包括将信号施加至测试质量块；检测由测试质量块发出的信号；基于所检测到的信号生成距离信号；以及基于距离信号确定测试质量块与腔部的每一侧上的致动和感测装置之间的距离，以确定测试质量块相对于电极壳体的位置和/或姿态。
根据实施方式，该方法还包括通过至少三个致动和感测装置(电极)来施加沿空间轴和围绕空间轴的力/扭矩对，所述至少三个致动和感测装置(电极)鉴于要施加至测试质量块的特定力和/或扭矩而被选择性地激活。
根据实施方式，该方法还包括生成使电极向测试质量块同时施加沿至少一个空间轴的力和围绕至少一个空间轴的扭矩的控制命令。
根据实施方式，该方法还包括动态地分配施加至测试质量块的力和扭矩。
根据实施方式，该方法还包括生成用于以基于一组多项式或基于查找表的控制电压来驱动致动和感测装置的控制命令。
附图说明
在下文中将结合以下附图描述该主题，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：
图1是根据实施方式的控制系统的一部分的示意性表示；
图2是控制系统的电子壳体的一部分的示意性表示；
图3是致动和感测装置、电子壳体和测试质量块之间的电容的示意性表示；
图4是致动和感测装置(例如，电极)与测试质量块之间的距离上的静电力的示意性表示；
图5是力-扭矩图的示意性表示；
图6是控制系统的控制器的闭环控制方案的示意性表示；
图7是电极和测试质量块的示意性表示；
图8是用于确定作为电极壳体内的测试质量块位移的函数的可用力的高阶模型的示意性表示；
图9是具有控制系统的航天器的示意性表示；
图10是用于捕获和控制电极壳体内的测试质量块的方法的步骤的示意性表示。
具体实施方式
以下详细描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明和本发明的用途。此外，不意在受前述背景技术或以下详细描述中提出的任何理论限制。
附图中的表示和说明是示意性的而不是按比例的。相同的附图标记表示相同的元素。
通过对附图的校阅以及对随后的详细描述的校阅，可以获得对所描述主题的更深入的理解。
图1示出了控制系统10的一部分，该控制系统10被配置成捕获和控制电极壳体12的腔部13内的测试质量块50。在包括控制系统10和测试质量块50的航天器的启动和运输阶段期间，测试质量块50被锁定(caging)机构24(例如，分别在测试质量块的两个相对侧表面——在图1的示例中为测试质量块的上侧和下侧——上的四个锁定指状物)和锁固(locking)机构26(例如，施加力以保持测试质量块的在测试质量块的相对侧上的两个柱塞)锁固并保持在其位置。当将要释放测试质量块50时，通过从测试质量块缩回锁定指状物来释放锁定机构24。在随后的步骤中，锁固机构26的柱塞缩回。在该后续步骤期间，测试质量块可以得到推动力并在腔部13内移动。为了捕获测试质量块50并使其处于电极壳体12的腔部13内的其预期位置，被定位成使得其面向测试质量块的每个侧表面(所有六个表面)的致动和感测装置22被提供有控制电压，使得静电力作用在测试质量块上，停止测试质量块的非预期移动(平移或旋转移动)并使其处于预定的或期望的位置。
图1进一步示出了用作信号注入装置20的注入电极。注入电极被定位成面向测试质量块50的上侧、下侧、左侧和右侧并且由电极壳体保持。致动和感测装置(例如，电极)22也被安装至电极壳体12。电极壳体12包括在其中心具有腔部13的壳体结构14，以及保持或支承电极20、22的电极框架16。当电极20、22被安装至电极框架16时，盖18覆盖电极20、22。
锁定机构24的锁定指状物和锁固机构26的柱塞分别通过开口28、30作用在测试质量块上。测试质量块50可以具有长方体形状和约2kg的质量。然而，这些值仅作为示例，并不旨在限制本文中描述的原理的适用性。测试质量块可以包含金钛合金。然而，可以为测试质量块选择其他材料。
电极22被布置在电极框架16处，使得当电极22被供应有控制电压时，可以引起测试质量块50沿轴x、y、z中的任何一个的位移以及沿这些轴的旋转移动。
自由飞行的测试质量块(TM)是如将在如LISA的基于空间的引力波天文台中使用的高精度引力参考传感器(GRS)的核心部件。在三个LISA航天器中，将总共使用六个GRSH(每个航天器两个GRSH)。为了使自由飞行的测试质量块50用作干涉仪端点，测试质量块50必须从它们的发射锁固装置24、26释放成自由飞行，即释放成它们与周围电极壳体结构12没有机械接触的状态。将测试质量块50释放成自由飞行是关键时刻，因为释放机构中的缺陷和相关联的物理现象导致的高释放速度和测试质量块位移会引起对GRSH的损坏，并且因此使任务的成功受损。因此，测试质量块释放是至关重要的任务阶段。
与测试质量块释放成自由飞行相关的GRSH的主要元素是厘米大小的测试质量块本身、电极壳体的结构、用于静电感测和致动的不同类型的电极、锁定机构24的八个锁定指状物(沿+z和-z方向将测试质量块50保持在角落处)和锁固机构26的两个柱塞(在八个锁定指状物已经被缩回后，沿+z和-z方向将TM保持在中心)。在一个非限制性示例中，处于中心位置的测试质量块50与相邻电极20、22之间的距离在约3毫米和4毫米之间，这取决于坐标轴。测试质量块50从柱塞释放成自由飞行、随后捕获并转换到电极壳体内的稳定闭环受控参考状态可以通过测量测试质量块位移并通过命令电压将校正静电力和扭矩施加至特定的致动和感测装置22来完成。
本说明书提出了在致动和感测装置处以给定电压幅度增加静电力和扭矩的替选方法(后者是GRS前端电子技术中，来自给定硬件限制的约束)并且避免了如在现有方法中发生的线性的力-电压转换误差，该误差会随着增加的测试质量块位移和力命令而变得非常大。因此，增加了可容忍的测试质量块释放速度以允许在没有碰撞的情况下自主地捕获测试质量块，以避免任务的损坏和退化或损失。此外，可以放宽对测试质量块释放机构在可接受的释放速度和初始位移方面的要求，使得在将地面上验证结果转移至实际飞行情况时地面测试变得更容易、更便宜和更可靠。
然而，如本文中所述的控制系统使用测试质量块50相对于电极壳体12的实际位置和姿态信息，而不是假设测试质量块处于标称的中心位置并使用零阶电容模型(即，致动算法不使用测试质量块状态信息)。用于命令致动和感测装置的电压是基于测试质量块50的实际位置和姿态来确定的并且被施加至致动和感测装置。然而，在某些实施方式中，本文中描述的方法同时命令力和扭矩，而不是以时间分离的方式将电压施加至致动和感测装置以在闭环控制系统的命令速率内实现力和扭矩两者。已经认识到并意识到，由致动和感测装置22施加至测试质量块的真实力和扭矩确实取决于当前测试质量块位置和/或姿态。
为了分析地描述测试质量块、电极和电极壳体的物理相互作用，我们使用了静电力/扭矩模型。该力/扭矩模型将作用在测试质量块上的力和扭矩描述为施加至致动电极22的电压、测试质量块50、电极22与电极壳体12之间的测试质量块位移相关电容及其梯度以及测试质量块电荷的函数。该模型用于控制器和致动算法两者。控制器40使用该模型来确定可用力和扭矩以提供不违反可用力和扭矩权限的命令。致动算法使用该模型来确定用于实现所命令的力和扭矩所需的电压。应该注意的是，静电力/扭矩模型的逆转用于获得相应的电压。
在一个示例中，测试质量块向量定义如下：
x＝{x y z θ η φ}T (1)
相应的力和扭矩定义为：
F＝{Fx Fy Fz Tθ Tη Tφ}T (2)
电极向量定义为：
V＝{V1 V2 … V17 V18}T (3)
其中，18个电极的编号如图2所示。
图2示出了图1的电极壳体12，其中控制器40连接至电极22，使得可以将控制电压供应至电极22以作用在测试质量块上以引起测试质量块沿轴x、y、z中的一个或更多个的位移和/或绕这些轴的旋转。
致动和感测电极EL1至EL4布置在电极壳体的电极框架处的测试质量块50的第一和第二相对侧上。致动和感测装置EL5至EL8以及注入电极EL13和EL14布置在测试质量块50的第三和第四相对侧上。致动和感测装置EL9至EL12以及注入电极EL15至EL18布置在测试质量块50的第五和第六相对侧上。
通常，沿单个测试质量块坐标q的力和扭矩Fq可以与测试质量块状态和电极相关：
Figure BDA0003545718770000121
其中，
Figure BDA0003545718770000128
是第i个电极至测试质量块的电容，
Figure BDA0003545718770000129
是第i个电极至壳体的电容，CTM，H是测试质量块至壳体的电容，Vi是电极i的电压，以及VTM是测试质量块的电势，由以下给出：
Figure BDA0003545718770000122
其中，测试质量块总电容Ctot由以下给出：
Figure BDA0003545718770000123
非线性力方程(方程(4))源自测试质量块周围导体的静电场的能量守恒定律。所有电容及其梯度取决于测试质量块的位置和姿态。
图3给出了电极壳体、电极和测试质量块的导体和电容的示意性概况。
电极至测试质量块和电极至壳体的电容可以通过泰勒级数展开来近似。例如，此处示出了一阶模型：
Figure BDA0003545718770000124
Figure BDA0003545718770000125
这些一阶模型的梯度是：
Figure BDA0003545718770000126
Figure BDA0003545718770000127
如果只考虑一个力/扭矩对的四个电容(EL1至EL4、EL5至EL8、EL9至EL12)，它们在系数的绝对值上没有区别，而仅在系数符号上有区别。此外，仅使用电极至壳体和电极至TM的电容的总和。表达式将在没有索引(i)的情况下使用，并简化为零阶电容梯度模型：
Figure BDA0003545718770000131
致动算法的求导可以形式化为找到非线性力方程(方程(4))的逆转，以获得力至电压(简写为F至V)的转换：
V＝A(x，F，QTM) (12)
该方程的解提供了18个电极的电压，以实现通过闭环控制算法得出的命令力和扭矩。
然而，为了理解本文公开的方法，描述了一组假设，这些假设在现有技术中被采用以确定用于致动和感测装置的控制电压。采用这些假设是因为方程(方程(4))的力/扭矩系统是欠定的(18个未知数和6个方程)，并且需要这些假设来获得可以求解的方程组：
(1)注入电极不用于静电致动目的，即，对于i＝13……18，Vi＝0。
(2)假设测试质量块电荷QTM可忽略不计，即QTM＝0。因此，也假设CTM，H可忽略不计。
(3)在忽略测试质量块电荷(QTM＝0)的假设下，必须选择电极电压，使得其满足如方程(5)中的选择的测试质量块电势。测试质量块电势可以是恒定的或者随时间变化。为了简化方程，测试质量块电势已设置为0。
(4)沿六个坐标中的每一个的力或扭矩仅由电极至TM电容
Figure BDA0003545718770000132
和电极至壳体电容
Figure BDA0003545718770000133
以及它们各自的梯度来确定，该梯度对该坐标具有一阶相关性。这个假设导致了针对测试质量块坐标的特定对(
Figure BDA0003545718770000134
y/θ，z/η)的3个力/扭矩方程系统，其中每个方程系统仅取决于一组四个电极电压。根据这个假设，遵循沿每对的力/扭矩致动仅取决于四个电极：针对x/Φ的EL1至EL4、针对y/θ的EL5至EL8、针对z/η的EL9至EL12。
(5)电容梯度使用零阶模型。该假设意味着致动算法不使用测试质量块位置和/或姿态观测。
(6)成对的自由度不一起致动，即力和扭矩在时间上被交替命令，这意味着使用50％的占空比，以顺序地执行力和扭矩致动周期。
(7)假设刚度被最小化。
通过使用这些假设1至7，将逆转非线性力方程(4)的问题简化为可解方程组，其中每个测试质量块坐标对(x/Φ，y/θ，z/η)仅由四个致动电极致动。
例如，针对
Figure BDA0003545718770000141
对(由电极i＝1……4致动)的所得表达式如下所示：
Figure BDA0003545718770000142
在以上方程中，以下系数是常数，由在处于标称位置的测试质量块处的电容梯度表达式的评估得出(源自一阶电容模型)：
Figure BDA0003545718770000143
Figure BDA0003545718770000144
ci＝CEli,H (16)
Figure BDA0003545718770000145
表1中总结了针对将沿x和Φ的命令力和扭矩转换为电极1、2、3和4的致动电压的现有技术致动算法的所得表达式。针对y/θ对和z/η对的表达式是相似的。
Figure BDA0003545718770000151
表1
在方程12的上下文中描述的这些假设允许控制电压的近似值，如关于方程13至17和表1描述的。然而，控制系统10和本文公开的方法使用高阶电容模型和测试质量块的实际位置来确定用于致动和感测装置22的控制电压。
图4示意性地示出了作用在测试质量块上的力与测试质量块位移的相关性。特别地，图4示出了沿z的力Fz与沿z的测试质量块位移。对于负测试质量块位移，最大正力由线62指示，最大正力是通过假设零测试质量块位移计算的。当命令沿z的最大正力时获得曲线64。力的幅度随着负测试质量块位移而减小。来自交叉轴致动的影响由曲线66指示，其中假设除了沿z的最大力命令之外，同时还命令沿η的最大扭矩。
基于图4，可以看出，每个测试质量块自由度的可用致动权限取决于测试质量块状态q、力/扭矩命令Fcmd和TM电荷QTM而改变。对于其中必须将位移的测试质量块控制回到零的典型控制情况，大的测试质量块位移会引起静电致动权限变小并且致动算法的误差增加。因此，实现的控制力和扭矩可以写成：
F(q)＝b(q,Fcmd,QTM)·Fq,cmd (18)
其中，b是所谓的致动增益，与作用在测试质量块上的命令的和实现的静电力和扭矩F(q)相关。仅当测试质量块位移为零且测试质量块上不存在电荷时，才能获得标称致动增益(b＝1)。在从锁固机构26的柱塞释放之后，测试质量块状态以及因此的致动增益并不完全已知。然而，它具有已知符号，并且受已知函数的约束。因此，现有技术的滑动模式控制方法被用作针对在存在致动增益不确定性的情况下保持稳定性和一致性能的问题的系统方法。为了设计滑动模式控制器，需要致动增益的上限和下限。也考虑致动交叉耦合的情况下，通过根据预测的轨迹(使用非线性静电力/扭矩模型)评估最大测试质量块位移来获得最小界限bmin。当测试质量块和致动力/扭矩作用在与位移相同的方向时，预期最大致动增益bmax。这可能发生在当测试质量块自由度的速度和初始位移具有相反的符号时的控制开始时。控制法则的现有技术的不连续部分可以写成：
uq,N＝-u0,q·sgn(s) (19)
恒定增益u0,q取决于致动增益的最小界限bmin和最大界限bmax两者，并且被保守地选择为低，以防止命令比实际可用的力和扭矩高的力和扭矩。
与现有技术相比，本说明书的方法具有一定的优势：
(1)产生较小的力和扭矩误差，尤其是对于主要发生在试验质量块释放操作期间的较大试验质量块位移和旋转；
(2)在降低初始测试质量块释放速度并将测试质量块返回至其标称位置时增加控制权限；
(3)由于没有力和扭矩的固定占空比，以灵活的方式为一个测试质量块坐标对分配力和扭矩；
(4)由用于飞行硬件的电缆电容要求和适用降额标准所施加的对峰值电压和RMS电压水平的约束可忽略不计；
(5)当测试质量块从锁固机构释放时，处理较高的释放速度。
这些优点是通过以下事实来实现的：本文描述的控制系统10考虑测试质量块的实际位置和/或姿态来确定用于致动和感测装置22的控制电压，并且这些优点通过借助于利用可用的测试质量块位置和/或姿态信息并借助于使用适当的力/扭矩模型例如力/扭矩多项式实现高阶电容模型来实现。此外，通过避免保守的假设来正确计算命令力和扭矩。这是通过同时的力和扭矩命令来实现的，其中力和扭矩两者的幅度可以通过适当分配电压以灵活的方式改变，这导致将力或扭矩RMS水平提高至高达两倍。
图5比较了同时致动方案(左，如本文中所述的方法提出的)和交替的“力/扭矩占空比”致动方案(右)。对于所示出的情况，一个占空比持续200ms，它被划分为两个100ms的子周期，其中命令第一力(第一子周期)，并且然后命令扭矩(第二子周期)。示出了三种命令情况：仅力(0ms至200ms)、仅扭矩(200ms至400ms)、等幅度的力和扭矩两者(400ms至600ms)。第一行示出了瞬时电压，第二行示出了RMS力水平以及第三行示出了RMS扭矩(力和扭矩两者均在200ms内取平均)。当仅命令力或扭矩时，同时致动方案(左)相对于交替致动方案(右)的实现力和扭矩增加了两倍。
此外，可以以灵活方式分配用于每个TM坐标对的力和扭矩。欠定的力/扭矩方程组的解是通过使用适当的假设来实现同时的力和扭矩命令(这继而允许灵活分配可用电压以实现通过一组四个电极确定的测试质量块坐标对的命令力和扭矩)，并通过使用高阶电容(并且因此也是电容梯度)模型来获得。不仅力至电压的转换(由致动算法完成)，而且由控制器算法控制器计算的力和扭矩命令利用物理上正确的静电力和扭矩。这是通过使用例如力/扭矩多项式或查找表(源自静电力/扭矩模型)来实现的，从而能够实现最佳控制法则。多项式以分配的电压和六个坐标的函数提供了沿所有自由度的可用力和扭矩。
本文中描述的方法增加了可用的静电力和扭矩，同时减小了力和扭矩误差。这使得在从释放机构释放后能够接受更多的初始测试质量块速度，并能够实现更稳健的控制系统，这也减少了瞬时动态(并因此增加了用于科学操作的系统可用性)。这些优点是在不增加电压幅度和/或改变飞行硬件中的电子部件的情况下实现的(这避免了附加硬件开发和认证的成本以及避免了偏离经飞行验证的硬件部件)。
通过接受较高的释放速度，本文中描述的方法在可接受的释放速度和初始位移方面放宽了对测试质量块释放机构的要求。这将使在将验证结果从不完全代表性的地面测试转移至真实(全自由度，全DoF)飞行情况时的地面验证并且特别是稳健性变得容易。一些现有技术的地面测试方法使用简化的测试台来表示释放的各个方面，例如通过使用引力补偿摆装置的单个DoF测量来实现。这样的测试装置并不表示航天器上处于集成状态的整个释放机构(和过程)。例如，释放状况的地面测试不包括真实测试质量块和到释放柱塞的真实接口。此外，测试装置不覆盖飞行机构的缺陷(例如，柱塞的横向推动、粘附效应和缩回两个柱塞时的延迟不对称性)。能够应对较大的飞行中释放状况允许接受地面测试无法解决的不确定性。
图6示出了实现本文中描述的控制系统的功能和方法步骤的闭环控制系统的参考架构。图6的控制系统被配置成用于在测试质量块从锁定机构24和锁固机构26释放之后静电捕获和控制测试质量块。
图6的架构示出了测试质量块状态参考52、控制模块42、致动模块44和测试质量块观测模块46。控制器40实现了控制模块42、致动模块44和测试质量块观测模块46以及这些模块的功能。致动模块44向致动和感测装置22供应电压，致动和感测装置22向测试质量块50施加力和/或扭矩。此外，致动和感测装置22感测测试质量块50的位置和/或姿态并将位置和/或姿态值提供给测试质量块观测模块46。
测试质量块观测模块46实现了状态观测功能，该状态观测功能用于基于任何类型的可用测试质量块位移测量以及如果需要还基于其他输入来提供测试质量块状态的估计。测试质量块状态可以包括与测试质量块的位置和/或姿态和/或速度和/或加速度以及/或者测试质量块的位置、姿态、速度和加速度中的任何一个的变化相关的信息。控制模块42实现了控制器算法，该控制器算法提供力和扭矩命令以在释放成期望状态之后控制测试质量块状态(例如，将测试质量块位置和速度控制为零)。与上述现有技术的控制器相比，新提出的推导力/扭矩控制命令的方法利用内部高阶静电模型来确定可用的力和扭矩。例如，该模型可以通过离线生成的多项式或查找表来近似，并且针对当前测试质量块状态在每个命令周期进行评估。测试质量块状态信息是通过状态观测获得的，如通过从测试质量块观测模块46到控制模块42和致动模块44的箭头所指示的。图8中示出了用于推导在x/φ对中沿测试质量块x坐标的可用力的高阶力模型的示例，该可用力作为成对坐标(在这种情况下为φ)的其平移位移以及其角位移的函数。该方法还利用了针对预期释放状况优化的力/扭矩分配方案。这种分配隐含在可以在S/C上重新生成的多项式或查找表中(也参见图8)。这由每个自由度对的一个标量分配系数来描述，即总共三个，它分配一小部分电压用于力命令以及互补部分用于扭矩命令。对于该定义，另请参见方程(45)。该方法还利用了扩展的最佳控制法则，该最佳控制法则考虑了不同的力/扭矩致动权限(因为它们取决于测试质量块位移)。
致动模块44将命令的控制器力和扭矩转换成电极致动电压。与推导致动电极的现有技术方法相比，新提出的方法的特征在于由于增加了静电模型阶数而显著降低了力/扭矩误差。这产生了以下的转换算法：考虑了测试质量块位移观测结果，如由图6的框图中的箭头所指示的。新提出的方法的特征还在于显著增强的最大传递力和扭矩以及用于降低GRS前端电子设备的复杂性的选项。
在新提出的用于捕获和控制测试质量块的方法中，控制模块42和致动模块44两者都使用测试质量块状态观测模块46的信息。
如上所指示的，与方程(7)的表达式相比，电极至测试质量块和电极至壳体的电容的泰勒级数展开增加了一级：
Figure BDA0003545718770000191
Figure BDA0003545718770000192
电容梯度可以从上面介绍的电极至测试质量块和电极至壳体的电容的二阶电容泰勒级数近似来推导，并由以下给出：
Figure BDA0003545718770000193
Figure BDA0003545718770000194
如果只考虑一个力/扭矩对的四个电容表达式(EL1至EL4、EL5至EL8、EL9至EL12)，这些表达式在系数的绝对值上没有区别，而仅在系数符号上有区别。此外，仅使用电极至壳体和电极至测试质量块的电容的总和。表达式将在没有索引(i)的情况下使用，并简化为一阶电容梯度模型：
Figure BDA0003545718770000201
F至V转换与控制法则结合使用，在控制法则中，以在相对于电极壳体的当前测试质量块位置/姿态处获得物理上可行的力的方式来生成力和扭矩命令。这是通过使用力模型(V至F方程)和来自当前测试质量块状态观测(例如，通过直接测量、应用过滤方法等获得)的信息进行可变控制器增益计算来实现的。
通常，推导所提出的致动算法的步骤如下：使用高阶电容模型，例如二阶电容模型和一阶电容梯度模型。这些被插入到电压至力/扭矩方程中并逆转以获得非线性的力至电压方程，该方程被线性化以获得线性的力至电压方程。
根据本文中描述的方法，电容梯度使用一阶模型，这意味着测试质量块位置和/或姿态观测结果由测试质量块观测模块46捕获并由致动模块44使用。关于三个对的致动的两种不同策略是可行的：(1)交替致动，其中顺序地施加用于力和用于扭矩产生的电压(即，随着时间分开)。这被称为力/扭矩占空比；(2)同时致动，其中同时施加用于力和用于扭矩产生的电压(即，不随时间分开)。
优选地，使用同时致动，如参考图5所述。
这产生待求解的以下方程组：
Figure BDA0003545718770000202
以下方程示出了第一致动电极的力/扭矩至电压的转换：
Figure BDA0003545718770000211
其中：
Figure BDA0003545718770000212
由于所得表达式的复杂性，其他电压V2至V12的解在此处未明确地示出。这些解是在没有针对状态相关系数ai、bi和ci系数的明确表达式的情况下获得的。
推导出的数学表达式(即，第一电极电压的方程(26)以及同样地其他电极电压的类似表达式)表现出奇异性。为了克服这些奇异性并获得力至电压转换法则的更稳健形式，表达式分别围绕标称测试质量块位置和姿态进行线性化。
在该示例中，电压表达式是通过使用一阶泰勒级数展开来线性化的。为了说明所提出的发明的解决方案，此处针对x/Φ对示出了系数ai、bi和ci的关系。针对y/θ对和针对z/η对的表达式类似。注意，对于一个方程组的所有四个电极(此处：电极1至4)，电容系数的绝对值在方程中彼此相等。
Figure BDA0003545718770000213
Figure BDA0003545718770000221
Figure BDA0003545718770000222
Figure BDA0003545718770000223
Figure BDA0003545718770000224
Figure BDA0003545718770000225
Figure BDA0003545718770000226
Figure BDA0003545718770000227
Figure BDA0003545718770000228
Figure BDA0003545718770000229
Figure BDA00035457187700002210
Figure BDA00035457187700002211
最终获得的解决方案示出了与特定测试质量块位移的线性耦合，并且可以写为：
Figure BDA0003545718770000231
对于每个测试质量块坐标对，必须使用特定的电压施加方案将四个电压施加至相应的电极，该方案取决于命令的力和扭矩两者的符号。
例如，对于x/Φ对，根据命令力Fx和命令扭矩Tφ的符号将电压施加至四个电极EL1至EL4。针对该情形的电极命名在图7中以图形方式示出，并与图2相对应。由本说明书提出的改进的力至电压转换方法的详细电压施加方案在表2中示出。
Figure BDA0003545718770000241
表2：致动模块的电压施加方案
方程(40)右手侧上的向量中的表达式是非线性的。它们是Fx和Tφ命令的绝对值的函数，并且包括在标称测试质量块位置处评估的各种电容和电容梯度表达式：
Figure BDA0003545718770000242
Figure BDA0003545718770000251
Figure BDA0003545718770000252
Figure BDA0003545718770000253
K1至K24的表达式如下：
Figure BDA0003545718770000254
Figure BDA0003545718770000255
Figure BDA0003545718770000261
Figure BDA0003545718770000262
Figure BDA0003545718770000263
Figure BDA0003545718770000264
Figure BDA0003545718770000265
Figure BDA0003545718770000266
Figure BDA0003545718770000267
Figure BDA0003545718770000268
Figure BDA0003545718770000269
Figure BDA0003545718770000271
Figure BDA0003545718770000272
Figure BDA0003545718770000273
Figure BDA0003545718770000274
Figure BDA0003545718770000275
Figure BDA0003545718770000281
Figure BDA0003545718770000282
Figure BDA0003545718770000283
Figure BDA0003545718770000284
Figure BDA0003545718770000285
Figure BDA0003545718770000291
Figure BDA0003545718770000292
Figure BDA0003545718770000293
每个电极可以施加的最大电压Vmax可以在力与扭矩之间分配。这可以根据方程(45)以线性方式完成：
Figure BDA0003545718770000294
其中，0<kF,q<1是设置可用于力致动的Vmax的一部分的分配系数，剩余互补部分用于扭矩命令。可以为三个力-扭矩对中的每一个单独设置系数。
kF,q的值可以根据每对中的预期或观测到的释放状况来设置。在LISA探路者技术演示任务结束时进行的专门测试质量块释放测试活动期间，围绕测试质量块——Φ的测试质量块释放动力学显著大于沿测试质量块——x的测试质量块释放动力学，这对于x/Φ对将有利于分配系数kF,q<0.5。另一方面，沿测试质量块z轴的非常大的释放速度将受益于接近一的系数kF,q。在LPF中，这种适应是不可能的。
在本文所提出的方法中，可以更新分配系数，并且可以根据任务需要选择三个最大电压力/扭矩分配系数的更新速率——例如基于飞行中确定的实际观测到的释放状况。例如，电压力/扭矩分配系数可以在飞行前设置并在整个任务期间保持恒定；基于可从遥感勘测中获得的先前测试质量块释放信息在飞行中更新(例如，系数可以在地面上确定，并且更新可以通过远程命令进行设置)；连续或准连续地在线更新(例如，根据实际测量结果或观测结果，以通过闭环系统的命令速率或该速率的倍数给出的更新速率进行更新)。
用于计算控制法则的更新方法使用增益(参考方程(18))，这些增益被选择为使得命令物理上正确的力和扭矩。因此，对于控制器设计，这些增益并不像现有技术方法中所做的那样假设为常数，而是根据来自状态观测功能的测试质量块位移信息的评估而变化。更新速率可以通过每个新的力和扭矩命令或命令速率的倍数来完成。
所提出的用于更新控制法则的增益的方法的相关步骤总结为：测量或观测测试质量块状态，为三个测试质量块力/扭矩对中的每一个设置力和扭矩之间的最佳电压分配，生成具有可用力和扭矩权限的多项式，检索在观测到的测试质量块状态下的可用力和扭矩，并且命令最大可用力和扭矩。
沿坐标q的控制器力或扭矩Uq的表达式可以写为：
Figure BDA0003545718770000301
其中，uk,q是p阶多项式的系数。这些多项式描述了对于给定(即选择的)力/扭矩最大电压分配的沿相应测试质量块坐标的可用力或扭矩。
针对作为沿x和Φ的位移的函数的沿测试质量块x坐标的可用力，在图8中示出了这样的多项式的说明性示例。示例中的电压分配因子已选择为将最大可用电极电压的60％分配给力产生，以及将40％分配给扭矩产生。
图9示出了航天器1中的具有测试质量块50的控制系统10的示例性应用。如上所述，整个系统可以包括三个航天器1，每个航天器包括两个测试质量块50。两个测试质量块可以由一个控制器40捕获和控制，或分别由两个不同的控制器40捕获和控制。
图10示意性地示出了用于捕获和控制释放成自由飞行的测试质量块的方法100。该示例的方法包括以下步骤：在第一步骤110中，确定测试质量块50相对于致动和感测装置22的位置和/或姿态；在第二步骤120中，基于测试质量块50的位置和/或姿态并考虑测试质量块50相对于电极壳体12的期望位置和/或姿态，确定用于施加到测试质量块50的所需静电力；在第三步骤130中，针对每个致动和感测装置22，确定用于以用于将测试质量块50移动至致动和感测装置22之间的期望位置和/或姿态中的控制电压驱动致动和感测装置22的控制命令，其中，基于所需的静电力和所确定的测试质量块50在致动和感测装置22之间的位置和/或姿态来确定用于以控制电压将测试质量块50移动至期望位置和/或姿态的控制命令；以及将控制电压施加至相应的致动和感测装置22，这可以是第三步骤130的一部分或未明确示出的后续步骤的一部分。
尽管在前面的详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施方式，但是应当理解存在大量的变型。还应理解，一个或多个示例性实施方式仅是示例，并不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述将为本领域技术人员提供用于实现本发明的示例性实施方式的便利路线图。应当理解，在不脱离权利要求的范围的情况下，可以对示例性实施方式中描述的元件的功能和布置进行各种改变。
另外，注意，“包括”或“包含”不排除任何其他元素或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个或复数个。还应注意，参照以上示例性实施方式中的一个示例性实施方式所描述的特征或步骤还可以与以上描述的其他示例性实施方式的其他特征或步骤结合使用。权利要求书中的附图标记并不被解释为限定。
附图标记列表
1 航天器
10 控制系统
12 电极壳体
13 腔部
14 壳体结构
16 电极框架
18 盖
20 信号注入装置(EL13至EL18)
22 致动和感测装置(EL1至EL12)
24 锁定机构
26 锁固机构
28 开口
30 开口
40 控制器
42 控制模块
44 致动模块
46 测试质量块观测模块
50 测试质量块
52 测试质量块参考

Claims (15)

1.一种用于在测试质量块(50)释放成自由落体之后静电捕获和控制所述测试质量块(50)的位置和/或姿态的控制系统(10)，所述控制系统(10)包括：
锁固机构(26)，其用于保持和释放所述测试质量块(50)；
多个致动和感测装置(22)；
具有腔部(13)的电极壳体(12)，所述腔部(13)被配置成用于接纳所述测试质量块(50)；
控制器(40)，其电连接至所述致动和感测装置(22)中的每一个；
其中，所述致动和感测装置(22)被安装至所述电极壳体(12)，使得至少一个致动和感测装置(22)被布置在所述腔部(13)的每一侧处；
其中，所述致动和感测装置(22)被配置成检测所述腔部(13)中的所述测试质量块(50)相对于所述电极壳体(12)的位置和/或姿态；
其中，所述致动和感测装置(22)被配置成响应于所述测试质量块(50)改变其相对于所述电极壳体(12)的位置和/或姿态而将静电力施加至所述测试质量块(50)；
其中，所述控制器(40)包括控制模块(42)和致动模块(44)；
其中，所述控制器(40)被配置成接收所述测试质量块(50)相对于所述电极壳体(12)的位置和/或姿态值；
其中，所述控制模块(42)被配置成基于所接收到的位置和/或姿态值并考虑所述测试质量块相对于所述电极壳体(12)的期望位置和/或姿态，确定用于施加至所述测试质量块(50)的静电力；
其中，所述致动模块(42)被配置成生成用于以基于由所述控制模块(42)确定的静电力和所接收到的位置和/或姿态值的控制电压来驱动所述致动和感测装置(22)的控制命令。
2.根据权利要求1所述的控制系统(10)，还包括
信号注入装置(20)；
其中，所述信号注入装置(20)被配置成将信号施加至所述测试质量块(50)；
其中，所述致动和感测装置被配置成检测由所述测试质量块发出的信号，基于所检测到的信号生成距离信号，并将所述距离信号传输至所述控制器(40)；
其中，所述控制器(40)被配置成基于所述距离信号确定所述测试质量块与所述腔部(13)的每一侧上的所述致动和感测装置(22)之间的距离，以确定所述测试质量块相对于所述电极壳体(12)的位置和/或姿态。
3.根据权利要求2所述的控制系统(10)，
其中，所述信号注入装置(20)包括布置在所述腔部(13)的至少两侧处的多个注入电极。
4.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统(10)，
其中，通过至少三个致动和感测装置(22)来施加沿空间轴和围绕空间轴的力/扭矩对。
5.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统(10)，
其中，所述控制模块(42)被配置成生成使所述致动和感测装置向所述测试质量块(50)同时施加沿至少一个空间轴的力和围绕至少一个空间轴的扭矩的控制命令。
6.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统(10)，
其中，所述控制器(40)被配置成生成用于以基于一组多项式或基于查找表的控制电压来驱动所述致动和感测装置(22)的控制命令。
7.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统(10)，
其中，所述控制器(40)被配置成确定所述致动和感测装置(22)与所述测试质量块(50)之间的电容的电容值和电容梯度，以生成用于以所述测试质量块(50)的当前位置和姿态处的控制电压来驱动所述致动和感测装置的控制命令。
8.一种用于在测试质量块(50)释放成自由落体之后静电捕获和控制所述测试质量块(50)的位置和/或姿态的控制系统(10)，所述控制系统(10)包括：
锁固机构(26)，其用于保持和释放所述测试质量块(50)；
多个致动和感测装置(22)；
具有腔部(13)的电极壳体(12)，所述腔部(13)被配置成用于接纳所述测试质量块(50)；
控制器(40)，其电连接至所述致动和感测装置(22)中的每一个；
其中，所述致动和感测装置(22)被安装至所述电极壳体(12)，使得至少一个致动和感测装置(22)被布置在所述腔部(13)的每一侧处；
其中，所述致动和感测装置(22)被配置成检测所述腔部(13)中的所述测试质量块(50)相对于所述电极壳体(12)的位置和/或姿态；
其中，所述致动和感测装置(22)被配置成响应于所述测试质量块(50)改变其相对于所述电极壳体(12)的位置和/或姿态而将静电力施加至所述测试质量块(50)；
其中，所述控制器(40)包括控制模块(42)和致动模块(44)；
其中，所述控制器(40)被配置成接收所述测试质量块(50)相对于所述电极壳体(12)的位置和/或姿态值；
其中，所述控制模块(42)被配置成生成使所述致动和感测装置向所述测试质量块(50)同时施加沿至少一个空间轴的力和围绕至少一个空间轴的扭矩的控制命令；
其中，所述控制器(40)被配置成动态地分配施加至所述测试质量块的力和/或扭矩。
9.一种航天器(1)，包括：
根据权利要求1至8中任一项所述的控制系统(10)；以及
测试质量块(50)；
其中，所述测试质量块(50)位于所述电极壳体(12)的所述腔部(13)中，其中所述锁固机构(26)将所述测试质量块(50)保持在适当位置。
10.一种用于利用多个致动和感测装置(22)捕获航天器(1)的电极壳体(12)内的测试质量块(50)的方法，所述方法包括以下步骤：
确定所述测试质量块(50)相对于所述致动和感测装置(22)的位置和/或姿态；
基于所述测试质量块(50)的位置和/或姿态并考虑所述测试质量块(50)相对于所述电极壳体(12)的期望位置和/或姿态，确定用于施加至所述测试质量块(50)的所需静电力；
针对每个致动和感测装置(22)，确定用于以用于将所述测试质量块(50)移动至所述致动和感测装置(22)之间的所述期望位置和/或姿态的控制电压驱动所述致动和感测装置(22)的控制命令；
其中，基于所需静电力和所确定的所述测试质量块(50)在所述致动和感测装置(22)之间的位置和/或姿态来确定用于以所述控制电压将所述测试质量块(50)移动至所述期望位置和/或姿态的控制命令；
将所述控制电压施加至每个致动和感测装置(22)。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
将信号施加至所述测试质量块(50)；
检测由所述测试质量块发出的信号；
基于所检测到的信号生成距离信号；
基于所述距离信号确定所述测试质量块与腔部(13)的每一侧上的所述致动和感测装置(22)之间的距离，以确定所述测试质量块相对于所述电极壳体(12)的位置和/或姿态。
12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括：
通过至少三个致动和感测装置(22)来施加沿空间轴和围绕空间轴的力/扭矩对。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，还包括：
生成使所述致动和感测装置向所述测试质量块(50)同时施加沿至少一个空间轴的力和围绕至少一个空间轴的扭矩的控制命令。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，还包括：
动态地分配施加至所述测试质量块的力和扭矩。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，还包括：
生成用于以基于一组多项式或基于查找表的控制电压来驱动所述致动和感测装置(22)的控制命令。
CN202210248121.2A 2021-03-23 2022-03-14 引力参考传感器测试质量块的静电致动和控制 Pending CN115114570A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP21164354.9 2021-03-23
EP21164354.9A EP4063280A1 (en) 2021-03-23 2021-03-23 Electrostatic actuation and control of gravity reference sensor test masses

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115114570A true CN115114570A (zh) 2022-09-27

Family

ID=75203042

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210248121.2A Pending CN115114570A (zh) 2021-03-23 2022-03-14 引力参考传感器测试质量块的静电致动和控制

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP4063280A1 (zh)
CN (1) CN115114570A (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116609854B (zh) * 2023-07-21 2023-09-19 华中科技大学 一种检验质量在轨释放过程的地面测试装置和方法
CN117622521B (zh) * 2023-12-09 2024-06-21 北京航空航天大学 一种含盘绕式伸展臂微小卫星的自适应滑模控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP4063280A1 (en) 2022-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115114570A (zh) 引力参考传感器测试质量块的静电致动和控制
Racca et al. The LISA pathfinder mission: Tracing Einstein’s geodesics in space
Hey Micro Newton Thruster Development
CN105675920A (zh) 高精度静磁悬浮加速度计
Peng et al. A new dynamic calibration method for IMU deterministic errors of the INS on the hypersonic cruise vehicles
Lian et al. Test mass capture for drag-free satellite based on RBF neural network adaptive sliding mode control
Liao et al. A new design of drag-free and attitude control based on non-contact satellite
Ofodile et al. ESTCube-2 attitude determination and control: Step towards interplanetary CubeSats
Chen et al. The satellite layout optimization design approach for minimizing the residual magnetic flux density of micro-and nano-satellites
Conklin et al. Lagrange: Laser gravitational-wave antenna at geo-lunar lagrange points
McNAMARA The LISA pathfinder mission
Guo et al. High-precision attitude estimation method of star sensors and gyro based on complementary filter and unscented Kalman filter
Bencze et al. Precision electrostatic suspension system for the gravity probe B relativity mission's science gyroscopes
Bencze et al. The Gravity Probe B electrostatic gyroscope suspension system (GSS)
Dang et al. Rotational and translational integrated control for inner-formation gravity measurement satellite system
Liorzou et al. Free fall tests of the accelerometers of the MICROSCOPE mission
Mimasu et al. Attitude determination concept for QSAT
Conklin Drift mode accelerometry for spaceborne gravity measurements
Virdis A Meteoroid Impact Recovery Control System for the LISA Gravitational Wave Observatory
Conklin et al. Drag-free control and drag force recovery of small satellites
Post et al. Study for femto satellites using micro Control Moment Gyroscope
Hernandez et al. Development of a hardware-in-the-loop testbed for rotating synthetic aperture telescopes
Yang et al. Aviation Sensors and Their Calibration
Cirillo Controller design for the acquisition phase of the LISA mission using a Kalman filter
RU2620448C1 (ru) Способ и устройство для определения ориентации космических или летательных аппаратов

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination