一种严苛包络约束下的动量轮组构型设计与控制分配方法与流程

1.本发明涉及动量轮组设计与控制技术领域，尤其涉及一种严苛包络约束下的动量轮组构型设计与控制分配方法。


背景技术：

2.卫星姿轨控分系统设计中，动量轮是最常见且重要的执行机构，为最大化动量轮角动量交换能力，其外型通常为圆饼形状，动量轮组的安装需考虑其外型约束。此外，为实现卫星三轴向姿态控制，需要安装3个以上动量轮并指向不同方位，以构成三轴向交换能力，并提供单轮损坏下的重构能力。
3.满足动量轮外型安装约束、三轴向角动量交换能力、单轮损坏下重构等需求，是动量轮组构型设计与控制分配的基本前提。目前，对于安装空间较大的卫星，一般可采用传统的3 1s即三正交 一斜装方案，满足各项约束。但对于安装空间小、包络约束严苛、要求模块化安装的微纳卫星或立方星平台，尚难以提供标准化构型设计与控制分配方案，通常存在安装包络超标、难以集中安装或各轴向角动量交换能力分配不合理等问题。
4.中国专利cn 110104217 a公开了一种卫星姿态控制与大角动量补偿复用飞轮的构形与控制方法，该专利所述卫星姿态控制与大角动量补偿复用飞轮的构形与控制方法，可以较少的飞轮数量同时完成姿态控制和补偿角动量的控制输出。但该系统仅针对z轴向角动量补充需求，两轮安装直接指向x，y，令两轮近似指向z，动量轮组安装包络与传统三正交一斜装无明显差别，且仅针对z轴备份效果明显，对x轴备份能力效果，对y轴无备份能力。
5.中国专利cn 110371322 a提出了一种卫星动量轮群的安装支架结构设计方法，属于航天器结构技术领域。该专利涉及的安装支架结构设计方法，用于星上多个动量轮(称之为动量轮群)的一体化安装支架结构设计。该专利依据动量轮的三个平动自由度无约束的特点，开展易于动量轮群一体化安装的动量轮布局设计，据此获得灵活适应动量轮群布局且提供统一外部接口的动量轮群一体化安装支架结构，支架结构设计兼顾动量轮初始矢量方向、动量轮布局安全间距、动量轮连接、支架与星本体连接、优化减重以及电缆走向等多重卫星设计约束。该专利所述卫星动量轮群的安装支架结构设计方法，但该方法基于多面体安装思路，安装支架需使用较大空间包络，在内外表面上提供多个安装面，对于安装空间小、包络约束严格情况并不适用。
6.综上，现有动量轮组安装构型难以满足安装空间小、包络约束严苛、需根据卫星惯量特性优化三轴向交换能力的要求，也无法提供任意单轮损坏下重构能力，存在安装包络过大、难以集中安装、各轴交换能力分配不合理等问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供一种满足严苛安装空间包络、三轴交换能力优化、任意单轮损坏重构需求的严苛包络约束下的动量轮组构型设计与控制分配方法。
8.根据本发明的一方面，本发明的一种严苛包络约束下的动量轮组构型设计与控制
分配方法，包括：
9.布局动量轮组；
10.确定动量轮组包络控制与分配交换能力参数；
11.确定动量轮组的构型参数确定和姿态控制分配参数。
12.进一步地，布局动量轮组包括：动量轮组以四个为单位，按2
×
2布局在安装支架的安装底面上。
13.进一步地，确定动量轮组包络控制与分配交换能力参数包括：
14.选取整星惯量最大轴向x轴向作为动量轮组主轴方向；
15.根据整星x轴惯量、整星y轴惯量、整星z轴惯量确定动量轮组包络控制与分配交换能力参数。
16.进一步地，动量轮组包络控制与分配交换能力参数包括动量轮与安装底面的夹角β。
17.进一步地，动量轮与安装底面的夹角β按以下方式确定：
18.β＝arctan(4*iyy*izz/(ixx*(iyy izz)))，其中，β为动量轮与安装底面的夹角，卫星最大惯量轴在x轴向，ixx为整星x轴惯量，iyy为整星y轴惯量，izz为整星z轴惯量。
19.进一步地，确定动量轮组的构型参数和姿态控制分配参数包括确定正常状态时以及异常状态时动量轮组的构型参数和姿态控制分配参数。
20.进一步地，正常状态时动量轮组的构型参数和姿态控制分配参数包括动量轮组的安装矩阵am和动量轮组的分配矩阵dm，动量轮组的安装矩阵am为：
21.其中，β为动量轮与安装底面的夹角；
22.动量轮组的分配矩阵dm为：
23.其中，β为动量轮与安装底面的夹角。
24.进一步地，异常状态时动量轮组的构型参数和姿态控制分配参数包括动量轮组的等效安装矩阵和动量轮组的重构分配矩阵。
25.进一步地，动量轮组的等效安装矩阵为：
26.a
m1
为1号动量轮异常时动量轮组等效安装矩阵；
27.a
m2
为2号动量轮异常时动量轮组等效安装矩阵；
28.a
m3
为3号动量轮异常时动量轮组等效安装矩阵；
29.a
m4
为4号动量轮异常时动量轮组等效安装矩阵。
30.进一步地，动量轮组的重构分配矩阵为：
31.d
m1
为1号动量轮异常时动量轮组的重构分配矩阵；
32.d
m2
为2号动量轮异常时动量轮组的重构分配矩阵；
33.d
m3
为3号动量轮异常时动量轮组的重构分配矩阵；
y， /-z，但均可提供 x向的分量。
44.在主轴方向确定后，对于安装包络控制，可调量在于垂直轮组安装底面的高度方向，同时对于三轴交换能力分配来说，轮组高度也决定了y/z轴与x轴的角动量交换能力比值。由于动量轮与安装底面的夹角β唯一决定轮组高度，因此对于包络控制与交换能力分配，转化为β角优化问题：当β＝0
°
时安装包络最小，但y/z轴向无交换能力，当β＝90
°
时安装包络最大，y/z轴向交换能力最大，需找到合适的β使得安装包络尽量小，且y/z轴向交换能力匹配整星惯量特性。
45.以下基于发明人的上述分析，进行详细介绍说明。
46.图1为根据本发明示例性第一实施例的一种严苛包络约束下的动量轮组构型设计与控制分配方法的流程图，如图1所示，本发明动量轮组构型设计与控制分配方法，包括：
47.布局动量轮组；
48.确定动量轮组包络控制与分配交换能力参数；
49.确定动量轮组的构型参数确定和姿态控制分配参数。
50.本发明示例性第二实施例的一种严苛包络约束下的动量轮组构型设计与控制分配方法，如图2所示，布局动量轮组包括：动量轮组以四个为单位，按2
×
2布局在安装支架的安装底面上。将动量轮组主轴方向设定为与整星惯量最大轴向一致，四个动量轮的安装指向均偏向于卫星最大惯量轴方向。各动量轮指向方位的调整通过安装支架实现，每个动量轮对应的安装支架底面尺寸为：r
×
r，其中，r为动量轮直径。
51.本发明示例性第三实施例的一种严苛包络约束下的动量轮组构型设计与控制分配方法，确定动量轮组包络控制与分配交换能力参数包括：
52.选取整星惯量最大轴向x轴向作为动量轮组主轴方向；
53.根据整星x轴惯量、整星y轴惯量、整星z轴惯量确定动量轮组包络控制与分配交换能力参数。动量轮组包络控制与分配交换能力参数包括动量轮与安装底面的夹角β。
54.针对传统方法轮组分散安装、设计难以标准化的问题，通过2x2四轮标准安装和基于惯量特性主轴选取，实现了动量轮组高密度安装，并将多维度的构型优化问题转化为单一参数寻优问题。
55.本发明示例性第四实施例的一种严苛包络约束下的动量轮组构型设计与控制分配方法，动量轮与安装底面的夹角β按以下方式确定：
56.β＝arctan(4*iyy*izz/(ixx*(iyy izz)))，其中，β为动量轮与安装底面的夹角，卫星最大惯量轴在x轴向，ixx为整星x轴惯量，iyy为整星y轴惯量，izz为整星z轴惯量。
57.本实例中动量轮与安装底面的夹角β确定原理如下：
58.卫星最大惯量轴在x轴向，整星惯量特性为：x轴惯量ixx，y轴惯量iyy，z轴惯量izz；
59.各轴最大角速度包络：wx＝4*mm*cos(β)/ixx；wy＝2*mm*sin(β)/iyy；wz＝2*mm*sin(β)/izz；其中，mm为单个动量轮最大角动量；
60.为了获得合适的β使得安装包络尽量小，且y/z轴向交换能力匹配整星惯量特性，需要使y/z与x轴向角速度交换能力接近，即：wx＝(wy wz)/2；
61.推导可得β＝arctan(4*iyy*izz/(ixx*(iyy izz)))。
62.以下结合本实施例对β的优化过程进行说明：假定整星惯量特性为x轴惯量lxx＝
12kg
·
m2，y轴惯量lyy＝8kg
·
m2，z轴惯量lzz＝4kg
·
m2，对于给定β，各轴最大角速度交换包络为：wx＝4*mm*cos(β)/ixx；wy＝2*mm*sin(β)/iyy；wz＝2*mm*sin(β)/izz；其中，mm为单个动量轮最大角动量；
63.为了使y/z与x轴向角速度交换能力接近，则需满足：sin(β)*(1/iyy 1/izz)＝cos(β)*4/ixx。计算可得tan(β)＝8/9,β＝41.6
°
，即为优化设计结果。
64.针对传统方法安装包络需求大、各轴能力难以合理分配问题，通过惯量特性主轴选取，结合其它轴与最大惯量轴相对特性，确保最大交换能力分配在需求最大轴向上；通过单参数β角寻优方法，即通过确定动量轮与安装底面的夹角β，实现了三轴交换能力分配优化与动量轮组安装包络约束的折中寻优。
65.本发明示例性第五实施例的一种严苛包络约束下的动量轮组构型设计与控制分配方法，确定动量轮组的构型参数和姿态控制分配参数包括确定正常状态时以及异常状态时动量轮组的构型参数和姿态控制分配参数。
66.本实施例中，正常状态时动量轮组的构型参数和姿态控制分配参数包括动量轮组的安装矩阵am和动量轮组的分配矩阵dm，动量轮组的安装矩阵am为：
67.其中，β为动量轮与安装底面的夹角；
68.动量轮组的分配矩阵dm为：
69.其中，β为动量轮与安装底面的夹角。
70.本实施例中，异常状态时动量轮组的构型参数和姿态控制分配参数包括动量轮组的等效安装矩阵和动量轮组的重构分配矩阵。动量轮组的等效安装矩阵为：
71.a
m1
为1号轮异常时动量轮组等效安装矩阵；
72.a
m2
为2号轮异常时动量轮组等效安装矩阵；
73.a
m3
为3号轮异常时动量轮组等效安装矩阵；
74.a
m4
为4号轮异常时动量轮组等效安装矩阵。
75.动量轮组的重构分配矩阵为：
76.d
m1
为1号轮异常时动量轮组的重构分配矩阵；
77.d
m2
为2号轮异常时动量轮组的重构分配矩阵；
78.d
m3
为3号轮异常时动量轮组的重构分配矩阵；
79.d
m4
为4号轮异常时动量轮组的重构分配矩阵。
80.本发明第六实施例对对正常状态下动量轮组的构型参数确定和姿态控制分配进行验证。
81.对于任意力矩需求tc＝[x y z]
t
，按分配矩阵dm及安装阵am可知，动量轮组最终合成的输出力矩t0为：
[0082][0083]
证明分配矩阵dm可按任意需求tc＝[x y z]
t
使动量轮组合成相应力矩，满足要求。
[0084]
本发明第七实施例对异常状态下动量轮组的构型参数确定和姿态控制分配进行验证。
[0085]
本实施例中1号动量轮异常时，对动量轮组进行重构：
[0086]
1号动量轮异常时动量轮组等效安装矩阵为：
[0087][0088]
分配矩阵d
m1
为：
[0089][0090]
对于任意力矩需求tc＝[x y z]
t
，按分配矩阵d
m1
及安装阵a
m1
可知，动量轮组最终合成的输出力矩t0为：
[0091][0092]
本实施例证明对于1号动量轮异常情况，重构分配矩阵dm为d
m1
，即可同样按任意需求tc＝[x y z]
t
，使动量轮组合成相应力矩，满足要求。
[0093]
本实施例中2号动量轮异常时，对动量轮组进行重构：
[0094]
2号动量轮异常时动量轮组等效安装矩阵为：
[0095][0096]
分配矩阵d
m2
为：
[0097][0098]
对于任意力矩需求tc＝[x y z]
t
，按分配矩阵d
m2
及安装阵a
m2
可知，动量轮组最终合成的输出力矩t0为：
[0099][0100]
本实施例证明对于2号动量轮异常情况，重构分配矩阵dm为d
m2
，即可同样按任意需求tc＝[x y z]
t
，使动量轮组合成相应力矩，满足要求。
[0101]
本实施例中3号动量轮异常时，对动量轮组进行重构：
[0102]
3号动量轮异常时动量轮组等效安装矩阵为：
[0103][0104]
分配矩阵d
m3
为：
[0105][0106]
对于任意力矩需求tc＝[x y z]
t
，按分配矩阵d
m3
及安装阵a
m3
可知，动量轮组最终合成的输出力矩t0为：
[0107][0108]
本实施例证明对于3号动量轮异常情况，重构分配矩阵dm为d
m3
，即可同样按任意需求tc＝[x y z]
t
，使动量轮组合成相应力矩，满足要求。
[0109]
本实施例中4号动量轮异常时，对动量轮组进行重构：
[0110]
4号动量轮异常时动量轮组等效安装矩阵为：
[0111][0112]
分配矩阵d
m4
为：
[0113][0114]
对于任意力矩需求tc＝[x y z]
t
，按分配矩阵d
m4
及安装阵a
m4
可知，动量轮组最终合成的输出力矩t0为：
[0115][0116]
本实施例证明对于4号动量轮异常情况，重构分配矩阵dm为d
m4
，即可同样按任意需求tc＝[x y z]
t
，使动量轮组合成相应力矩，满足要求。
[0117]
通过重构分配矩阵，实现了动量轮组正常与任意单轮异常情况下的任意目标力矩输出，证明了控制分配方案的有效性，满足了动量轮组重构能力要求。
[0118]
综上，本发明可以很好地对不同惯量特性卫星实现严苛包络约束条件下的动量轮组构型设计与控制分配，能够作为卫星姿轨控系统动量轮组构型设计与控制分配的通用方法使用。
[0119]
本方法还具有可扩展性，可根据实际需要，通过增加以4个动量轮为单位的标准动量轮组，按照整星惯量特性，适应任意不同机动能力需求、系统容错能力需求，具有很强的扩展能力，同时具有高度模块化的安装特性。
[0120]
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
[0121]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但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以权利要求的保护范围为准。