一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN103336528A*(12)发明专利申请(10)申请公布号(10)申请公布号CNCN103336528103336528A(43)申请公布日2013.10.02(21)申请号201210211437.0(22)申请日2012.06.18(71)申请人北京控制工程研究所地址100080北京市2729信箱(72)发明人张军邢琰王大轶王南华雷拥军田科丰(74)专利代理机构中国航天科技专利中心11009代理人安丽(51)Int.Cl.G05D1/10(2006.01)G05B13/04(2006.01)权权利要求书1页利要求书1页说明书5页说明书5页附图2页附图2页(54)发明名称一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法(57)摘要一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法，针对只能输出两轴控制力矩的欠驱动航天器，设计了通过两轴姿态控制飞轮实现三轴姿态稳定的控制器。建立基于罗德里格斯参数的姿态运动学方程、惯性系内的姿态动力学方程；将整个系统简化整理为一个Brockett双积分系统，采用σ变换根据初始条件是否为零，得到系统状态可控的线性控制系统，设计控制律完成系统的状态稳定，达到航天器三轴姿态稳定控制的目的。所提方法可实现欠驱动航天器只具有两轴姿态控制力矩输出能力时的三轴姿态稳定控制，相对于现有欠驱动控制方法，该设计方法简单直观，易于星上实现，可用于各类采用飞轮的欠驱动航天器的三轴姿态稳定控制。CN103336528ACN1036528ACN103336528A权利要求书1/1页1.一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法，其特征在于步骤如下：(1)建立本体坐标系相对于惯性坐标系的系统模型为：T其中，ρ＝[ρ1ρ2ρ3]为描述航天器姿态的罗德里格斯参数，为ρ1的导数，为ρ2的导数，为ρ3的导数；u1和u2均为中间变量，c1＝I/J1，c2＝I/J2，I为航天器上飞轮的转动惯量，J为航天器的转动惯量且J＝diag(J1，J2，J3)，为本体坐标系中oxb轴飞轮的转速，为本体坐标系中oyb轴飞轮的转速；(2)如果初始条件ρ1(0)≠0，则令α为大于零的常数，之后进入步骤(4)，如果初始条件ρ1(0)＝0则进行步骤(3)；*(3)在区间[0，ts]中令其中u为正常数，使得时间t＝ts时，ρ1(t)＝ρ1(ts)**＝uts，之后返回步骤(2)；其中，ts＝1/(10u)；(4)根据方程对所述系统模型中的作σ变换，得到变换后的系统状态空间表达式为：式中则根据确定的系统状态空间，令状态反馈控制律为：u2＝-Ky其中反馈增益阵K＝(k1k2)，k1k2均为大于0的常数，通过求解方程得到反馈增益阵K，期望特征值为λ＝[λ1λ2]，计算期望特征值的特征多项式为(s-λ1)(s-λ2)＝s2-(λ1+λ2)s+λ1λ2，s为复变量。2.根据权利要求1所述的一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法，其特征在于：所述本体坐标系的定义为：本体坐标系oxbybzb(sb)是指：本体坐标系的三轴分别取为沿航天器惯性主轴方向，其中oxb指向飞行前方；ozb是航天器竖轴指向下，即朝向中心天体(地球)球心的方向；oyb由右手定则确定。2CN103336528A说明书1/5页一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法技术领域[0001]本发明涉及一种欠驱动航天器三轴姿态稳定控制方法，可以在只有两轴控制力矩输出的情况下实现三轴姿态的稳定控制，可应用于欠驱动航天器的姿态控制。背景技术[0002]在航天器的常规的控制系统中，通常希望系统输入输出的维数是相等的，以达到相应的控制目的及性能要求。但是，对原来需要用若干控制输入控制的系统，能否只用较少的输入达到同样预期的控制效果呢？如果可行，则将提高系统的可靠性，甚至降低系统的费用及重量。正是出于这一考虑，为人们研究开发新型的控制系统提供了新的思路。[0003]系统位形空间的维数与系统控制输入维数相同的系统称为全驱动系统，即针对不同的位形状态，均有与之相对应的控制器对其进行控制，以实现一一对应的控制关系；而欠驱动系统则是指由控制输入向量张成空间的维数小于位形空间维数的系统，简言之，欠驱动系统是指系统的控制输入少于系统自由度的系统。欠驱动系统所具有的特点正是可由较少的控制输入确定其在比控制输入维数大的位形空间内的运动。[0004]对于欠驱动系统的研究，除降低系统的费用及重量这一优点之外，还可成为完整驱动系统的一个应急控制手段，即如果完整驱动系统遭遇故障不能正常运行时，可采用欠驱动系统的控制策略，利用剩下的仍能正常工作的控制器对系统进行有效控制，以降低由于某些控制输入发生故障导致整体系统瘫痪而带来的损失。因此，近年来对于欠驱动系统的研究在各个领域都受到了广泛关注。[0005]对于航天器姿态控制问题来说，出现欠驱动的原因