一种航天器姿态控制智能反作用飞轮及其控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110471434A(43)申请公布日2019.11.19(21)申请号201910649372.X(22)申请日2019.07.18(71)申请人南京航空航天大学地址210016江苏省南京市秦淮区御道街29号(72)发明人吴云华郑墨泓华冰陈志明李文星梁莹莹刘龙武杜津铭(74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所(普通合伙)32204代理人徐红梅(51)Int.Cl.G05D1/08(2006.01)权利要求书3页说明书5页附图3页(54)发明名称一种航天器姿态控制智能反作用飞轮及其控制方法(57)摘要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。CN110471434ACN110471434A权利要求书1/3页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2CN110471434A权利要求书2/3页参数注入，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