一种应用飞轮群的欠驱动航天器姿态控制方法.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CN106125752A(43)申请公布日2016.11.16(21)申请号201610602559.0(22)申请日2016.07.27(71)申请人北京机械设备研究所地址100854北京市海淀区永定路50号（北京市142信箱208分箱）(72)发明人张佳为许诺伍少雄(74)专利代理机构北京天达知识产权代理事务所(普通合伙)11386代理人王涛龚颐雯(51)Int.Cl.G05D1/08(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图1页(54)发明名称一种应用飞轮群的欠驱动航天器姿态控制方法(57)摘要本发明涉及一种应用飞轮群的欠驱动航天器姿态控制方法，首先确定单个飞轮的角动量集合，再确定飞轮群角动量集合；计算飞轮群与航天器组成的整体系统的初始角动量幅值，并判定该初始角动量幅值是否满足条件；然后确定航天器姿态可机动集合，进而判定航天器能否实现姿态机动指令；确定航天器姿控系统最优控制性能指标，最后通过高斯伪谱法进行迭代计算，实现航天器的姿态机动控制。本发明给出了任意角动量条件下的航天器姿态可机动集合，解决了应用任意飞轮群剪刀对构型、任意系统初始角动量欠驱动航天器的姿态机动控制问题，从而推广了飞轮群在欠驱动航天器姿态控制系统中的应用。CN106125752ACN106125752A权利要求书1/2页1.一种应用飞轮群的欠驱动航天器姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.确定单个飞轮的角动量集合；S2.根据单个飞轮的角动量集合，确定飞轮群角动量集合；S3.判定飞轮群与航天器组成的整体系统的初始角动量幅值是否位于飞轮群角动量集合的边界条件内；S4.确定航天器姿态可机动集合；S5.航天器接收姿态机动指令，判定该姿态机动指令是否属于姿态可机动集合，进而判定能否实现该姿态机动指令；S6.确定航天器姿控系统的最优控制性能指标；S7.利用高斯伪谱法、通过迭代实现航天器姿态控制。2.根据权利要求1所述的欠驱动航天器姿态控制方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：计算飞轮群与航天器组成的整体系统的初始角动量幅值；当初始角动量幅值位于飞轮群角动量集合的边界条件内，则接着进行步骤S4；当不位于边界条件内时，则判定航天器无法进行姿态控制，并返回表示无法进行姿态控制的信号。3.根据权利要求1所述的欠驱动航天器姿态控制方法，其特征在于，步骤S4中确定航天器姿态可机动集合进一步包括：如果飞轮群与航天器组成的整体系统的初始角动量幅值的范数等于0，则航天器姿态可机动集合为三维旋转群，此时欠驱动航天器可进行任意姿态机动，航天器直接接收姿态机动指令并执行；如果初始角动量幅值的范数不等于0，则确定航天器姿态可机动集合其中，qf是航天器控制终端姿态四元数，Hf表示航天器控制终端角动量，H0是飞轮群与航天器组成的整体系统的初始角动量幅值。4.根据权利要求1所述的欠驱动航天器姿态控制方法，其特征在于，步骤S5进一步包括：根据接收到的姿态机动指令，计算四元数姿态矩阵，再计算航天器控制终端角动量；当该航天器控制终端控制角动量满足空间圆方程时，则姿态机动指令属于姿态可机动集合，欠驱动航天器能执行姿态机动指令的机动控制，然后再执行下一步骤；当航天器控制终端角动量不满足空间圆方程时，则判定航天器无法进行此次姿态控制，并返回表示无法执行指令的信号。5.根据权利要求1所述的欠驱动航天器姿态控制方法，其特征在于，步骤S6进一步包括：通过传感器实时采集航天器姿态四元数q、角速度w、飞轮群框架角δ及框架角速度作为状态变量；将上述变量反馈给航天器姿控系统，确定航天器姿控系统初始时刻t0、控制时域Δt、预测时域T及正定矩阵M，正定矩阵N及正定矩阵R，建立飞轮群与航天器所组成整体系统的最优控制性能指标：2CN106125752A权利要求书2/2页其中y＝[qω]T，其中为飞轮群的角速度；为2待求的系统控制输入，表示飞轮角加速度；yf为系统平衡点；M＝10E6，N＝E8，R＝E2，M、N、R是具体的常值矩阵，u代表控制输入。6.根据权利要求1或5所述的欠驱动航天器姿态控制方法，其特征在于，步骤S7进一步包括：采用高斯伪谱法确定最优控制性能指标对应的最优控制输入，并将该最优控制输入作为下次高斯伪谱法实时迭代的初值，将迭代计算得到的下一时刻控制量作为实际系统控制输入，并继续进行迭代计算，直至系统状态被控制到平衡点。3CN106125752A说明书1/6页一种应用飞轮群的欠驱动航天器姿态控制方法技术领域[0001]本发明涉及一种航天器姿态控制方法，特别是一种应用飞轮的欠驱动航天器姿态控制方法。背景技术[0002]反作飞轮作为航天器的一个执行机构，具有体积小、重量轻的特点，常用于对质量与体积要求苛刻的小型航天器中。虽然飞轮应用于航天