利用充液变惯量飞轮控制航天器姿态的方法及其执行机构.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103332301A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103332301103332301A(43)申请公布日2013.10.02(21)申请号201310228717.7(22)申请日2013.06.08(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人关宏徐世杰(74)专利代理机构北京永创新实专利事务所11121代理人祗志洁(51)Int.Cl.B64G1/24(2006.01)权权利要求书2页利要求书2页说明书8页说明书8页附图3页附图3页(54)发明名称利用充液变惯量飞轮控制航天器姿态的方法及其执行机构(57)摘要本发明是一种利用充液变惯量飞轮控制航天器姿态的方法及其执行机构。执行结构包括真空框架、飞轮、电机、轴承和控制机构，控制机构对电机的转速和充液腔内的液体排放进行控制，飞轮充液腔内的液体通过轴向导管和径向导管注入和排空。本发明方法在航天器相互垂直的三轴上，分别安装了一个执行机构，各执行结构的飞轮对称轴与所在的坐标轴重合，根据动量矩定理得到三轴控制力矩与执行机构动量矩变化律的关系，根据当前飞轮的转速值与转速门限值的大小，调整飞轮充液腔中液体的充放，不断实时调整调整航天器的姿态控制力矩，使与期望姿态重合。本发明避免了执行机构要求航天器更多的空间和质量问题，实现了姿态稳定的力矩要求和精确姿态控制。CN103332301ACN1032ACN103332301A权利要求书1/2页1.一种利用充液变惯量飞轮控制航天器姿态的执行机构，其特征在于，该执行机构包括：固定和安装整个飞轮结构的真空框架、飞轮、电机、轴承和控制机构；飞轮包含固体转子部分、充液腔、径向导管和轴向导管；真空框架固定轴承和电机的位置；轴承安装在飞轮转轴的两端；电机与飞轮转轴配合；飞轮充液腔内的液体工质，通过轴向导管和径向导管注入和排空；控制机构对电机的转速和充液腔内的液体注入和排空进行控制；在航天器相互垂直的三轴：X轴、Y轴和Z轴上，分别安装一个所述的执行机构，各执行结构的飞轮的对称轴与所在的坐标轴重合。2.基于权利要求1所述的执行结构，一种利用充液变惯量飞轮控制航天器姿态的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、通过航天器的姿态敏感器得到航天器姿态参数后，根据当前姿态与期望姿态的T差值通过Lyapunov方法设计航天器所需的三轴的控制力矩矢量TC＝[TC1,TC2,TC3]；TCi表示i轴的控制力矩，i＝1,2,3，分别表示航天器坐标系的X轴、Y轴和Z轴；步骤2、将执行机构安装在航天器上后，航天器与执行机构对航天器质心的总动量矩为：H＝Iω+Hw其中，I表示航天器的总转动惯量，ω表示航天器的角速度，Hw表示执行机构对航天器质心的动量矩；TΩ＝[Ω1,Ω2,Ω3]表示三轴上的执行机构的飞轮壳的转速，βwf＝[βwf1,βwf2,βwf3]T表示三轴上的飞轮充液腔内跟踪飞轮壳转速的液体工质的等效转速；Ιww＝TT[Iww1,Iww2,Iww3]表示三轴上的执行机构的飞轮壳的转动惯量，Ιwf＝[Iwf1,Iwf2,Iwf3]表示三轴上充液腔内液体的转动惯量；依据动量矩定理有将动量矩Hw的变化率投影到航天器的X轴、Y轴和Z轴上，得到步骤3、根据执行机构对航天器质心的动量矩关系，有初始飞轮壳的转速Ωi都为0；步骤4、i轴的充液腔内液体的转速βwfi与飞轮壳的转速Ωi的关系为：其中，Iwδi表示i轴的充液腔内液体由于粘性原因而损失的等效转动惯量；因此，i轴的执行机构对航天器质心的动量矩Hwi表示为：当充液腔内液体处于充满状2CN103332301A权利要求书2/2页态时当充液腔内液体被排空后Hwi=IwwiΩi；令为i轴的充液腔内液体的转速βwfi与飞轮壳转速Ωi的等效系数；则得到步骤5、针对执行机构的变惯量特性，确定飞轮壳的转速变换律其中，G=diag(Gw1,Gw2,Gw3)，Gw1、Gw2和Gw3分别为Iwf1、Iwf2和Iwf3承担的加权系数，取值方法为：当充液变惯量飞轮的转速|Ωi|>Ωmin时，保持充液腔内充液状态；当|Ωi|≤Ωmin时，排空充液腔内液体；步骤6、执行机构中的控制机构根据得到的转速变化率控制电机的输出功率，控制充液腔内液体的充放；步骤7、根据动量守恒定理，航天器受到执行机构对航天器产生的控制力矩TT=[T1,T2,T3]的作用，姿态改变，改变后的姿态通过敏感器测量与期望姿态进行比较，重新回到步骤1；通过不断地循环步骤1至7，实时调整航天器的姿态控制力矩，最终使航天器姿态与期望姿态重合。3CN103332301A说明书1/8页利用充液变惯量飞轮控制航天器姿态的方法及其执行机构技术领域[0001]本发明涉及航天器姿态的控制执行机构，具体地