一种卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法及装置，该方法包括：根据对待测气浮仪表平台的台体姿态角速度、飞轮转速和飞轮转子转动惯量建立动力学模型；基于萤火虫算法建立用于衡量动力学模型与实际系统之间的接近程度的准则函数；从准则函数的解空间中随机初始化萤火虫的位置并计算任意两个萤火虫之间的引力关系；根据任意两个萤火虫之间的亮度关系及位置更新公式更新每个萤火虫的位置，并根据更新的萤火虫的位置重新计算任意两个萤火虫之间的引力关系，直至辨识出的转动惯量的精度达到阈值或迭代的次数达到预设值。本发明专利技术的算法速度较快且精度较高，同时还消除了由于角速度微分带来的噪声放大问题，从而提高了转动惯量的辨识精度。

Method and device for identification of inertia of a satellite physical simulation system

The present invention provides a method and a device for rotational inertia identification of physical simulation system of a satellite, the method comprises: according to the measured air instrument platform platform attitude angular velocity, rotational speed of flywheel and flywheel rotor inertia kinetic model; firefly algorithm for establishing criterion function measure of the degree of proximity between the dynamic model and the actual system based on the calculation of gravity; and the relations between any two fireflies from the criterion function solution space random initialization of the firefly position; according to the brightness relationship between any two firefly and position of the position updating formula for updating each firefly, and calculate the gravitational relation between any two fireflies according to update the firefly position, until the number identified inertia of the accuracy of iterative threshold or reaches the preset value. The algorithm has high speed and high accuracy, and also eliminates the noise amplification problem caused by angular velocity differential, thus improving the identification accuracy of moment of inertia.

【技术实现步骤摘要】
一种卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法及装置
本专利技术涉及一种卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法及装置，属于飞行器地面仿真

技术介绍
在本领域的现有技术中，飞行器地面仿真技术通常采用基于机械能守恒定律的三线摆法直接测量仿真系统的转动惯量。具体为将待测量物体固定在三线摆下圆盘上，导出被测物体和下圆盘相对于中心轴的总转动惯量公式：其中，m表示下圆盘与待测物体质量和，R表示下圆盘有效半径，r表示上圆盘有效半径，H表示上下圆盘之间距离，T表示三线摆的摆动周期。在实验中先测量得到待测量物体及全部设备的总转动惯量，再减去下圆盘的转动惯量，就能得到待测量物体的转动惯量J。但是，在使用线摆法求取转动惯量过程中，下盘难以做到完全垂直于中心轴并水平，使得测量方法存在系统误差。线摆法广泛应用于中小型物体转动惯量的测量，而对于较大物体惯量测量时存在许多困难，包括整体系统体积过大，结构复杂，不易进行试验等。另外，本领域中还要一种基于最小二乘法的转动惯量辨识方法。该方法首先对气浮台进行动力学建模得到标准的最小二乘法待辨识模型，在该最小二乘法待辨识模型中有15个待辨识变量，其中前六项为转动惯量，后九项为干扰力矩。辨识过程中通过飞轮输入指令力矩驱动气浮台进行姿态运动，通过惯性元件陀螺仪测量气浮台的姿态角速度，便能够计算出辨识需要的各个参数。通过构造最小二乘辨识方程，计算出待辨识参量的数值。当采用最小二乘法进行转动惯量辨识时，辨识速度较慢，程序运行时间较长，占用资源较多。并且在很多情况下，最小二乘法辨识得到结果的精度达不到预定要求，存在一定的误差。
技术实现思路
本专利技术提出了一种卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法及装置，以解决在对飞行器进行地面仿真的过程中存在的误差较大、结果较复杂、辨识速度较慢及占用资源较多的问题，为此本专利技术采用如下的技术方案：一种卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法，包括；对待测气浮仪表平台上的飞轮组件输入三轴的正弦输入信号，并实时采集所述飞轮组件的飞轮转速和飞轮转子转动惯量以及待测气浮仪表平台上的陀螺仪反馈的台体姿态角速度；根据所述台体姿态角速度、飞轮转速和飞轮转子转动惯量建立动力学模型；基于萤火虫算法建立用于衡量所述动力学模型与实际系统之间的接近程度的准则函数；从所述准则函数的解空间中随机初始化萤火虫的位置并计算任意两个萤火虫之间的引力关系；根据任意两个萤火虫之间的亮度关系及位置更新公式更新每个萤火虫的位置，并根据更新的所述萤火虫的位置重新计算任意两个萤火虫之间的引力关系，直至辨识出的转动惯量的精度达到阈值或迭代的次数达到预设值。一种卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识装置，包括主控制器、陀螺仪、飞轮组件和气浮仪表平台，所述主控制器、陀螺仪和飞轮组件都设置在气浮仪表平台台体上，所述陀螺仪用于向所述主控制器反馈所述气浮仪表平台的台体姿态角速度，所述飞轮组件用于根据所述主控制器发送的指令转动并向所述主控制器反馈飞轮转速和飞轮转子转动惯量，所述主控制器用于根据所述飞轮台体姿态角速度、飞轮转速和飞轮转子转动惯量建立动力学模型，并基于萤火虫算法建立用于衡量所述动力学模型与实际系统之间的接近程度的准则函数，从所述准则函数的解空间中随机初始化萤火虫的位置并计算任意两个萤火虫之间的引力关系，根据任意两个萤火虫之间的亮度关系及位置更新公式更新所述萤火虫的位置并根据更新的所述萤火虫的位置重新计算任意两个萤火虫之间的引力关系，直至辨识出的转动惯量的精度得到阈值或迭代的次数达到预设值。本专利技术所述的卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法及装置通过给定主控制器指令力矩，由主控制器对飞轮输出指令转速，并读取飞轮实际转速以及陀螺仪测量得到的气浮台姿态角速度，进一步构造准则函数，从而通过萤火虫算法对准则函数在特定范围内进行寻优，最后得到全局最优解，即为待辨识的结果，在不需要考虑待测物体的尺寸且不需要额外的装置进行转动惯量的测量，并且算法速度较快且精度较高，同时还消除了由于角速度微分带来的噪声放大问题，从而提高了转动惯量的辨识精度。附图说明图1为本专利技术所述的卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识的流程示意图。图2为本专利技术所述的迭代计算获得转动惯量的流程示意图。图3为本专利技术所述的卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识装置的结构示意图。图4为本专利技术所述的增加电源模块的卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识装置的结构示意图。图5为实施例一提供的卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法的流程示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。结合图1所示，本具体实施方式提供了一种卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法，该方法包括：步骤11，对待测气浮仪表平台上的飞轮组件输入三轴的正弦输入信号，并实时采集飞轮组件的飞轮转速和飞轮转子转动惯量以及待测气浮仪表平台上的陀螺仪反馈的台体姿态角速度。其中，飞轮组件可以包括用于接受指令的接收器、飞轮和用于反馈飞轮转速和飞轮转子转动惯量的发射器。陀螺仪也包括有用于反馈待测气浮仪表平台的台体姿态角速度的发射器。步骤12，根据台体姿态角速度、飞轮转速和飞轮转子转动惯量建立动力学模型。在该步骤中，根据台体姿态角速度、飞轮转速和飞轮转子转动惯量建立动力学模型的步骤包括：根据角动量定理和柯氏定理建立如下所示的系统模型：其中，Tg表示质心偏心力矩，Tc表示常值干扰力矩，Kω表示阻尼力矩。可选的，对系统模型的两边进行积分处理后获得如下所述的动力学模型：其中，ω1、ω2和ω3分别表示三轴飞轮转速，ωx、ωy、和ωz分别表示陀螺仪测量得到的台体姿态角速度，Jf表示飞轮转子转动惯量。步骤13，基于萤火虫算法建立用于衡量动力学模型与实际系统之间的接近程度的准则函数。在该步骤中，可基于最小二乘法建立如下的准则函数：其中，N表示采集到的数据组数，ε(k)表示动力学模型与实际系统之间的误差。可选的，动力学模型与实际系统之间的误差通过以下公式确定：ε(k)＝h(k)·x(k)-z(k)其中，x(k)表示一个12变量的向量并构成空间作为算法的解空间。每一个x(k)的取值作为解空间中的坐标，并将该坐标处的准则函数值作为衡量该点拟合程度的标准。步骤14，从准则函数的解空间中随机初始化萤火虫的位置并计算任意两个萤火虫之间的引力关系。在该步骤中，任意两个萤火虫之间的引力关系通过以下公式确定：其中，βij(rij)表示两个萤火虫之间的吸引力，rij表示两只萤火虫之间的笛卡尔距离。步骤15，根据任意两个萤火虫之间的亮度关系及位置更新公式更新每个萤火虫的位置，并根据更新的萤火虫的位置重新计算任意两个萤火虫之间的引力关系，直至辨识出的转动惯量的精度达到阈值或迭代的次数达到预设值。在该步骤中，可通过以下公式根据萤火虫之间亮度关系以及位置更新公式更新萤火虫位置：其中，xi表示萤火虫的坐标，β0表示最大吸引力系数，γ表示光吸收系数，α表示随机项系数。可选的，结合图2所示，根据更新的萤火虫的位置重新计算任意两个萤火虫之间的引力关系，直至辨识出的转动惯量的精度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法，其特征在于，包括；对待测气浮仪表平台上的飞轮组件输入三轴的正弦输入信号，并实时采集所述飞轮组件的飞轮转速和飞轮转子转动惯量以及待测气浮仪表平台上的陀螺仪反馈的台体姿态角速度；根据所述台体姿态角速度、飞轮转速和飞轮转子转动惯量建立动力学模型；基于萤火虫算法建立用于衡量所述动力学模型与实际系统之间的接近程度的准则函数；从所述准则函数的解空间中随机初始化萤火虫的位置并计算任意两个萤火虫之间的引力关系；根据任意两个萤火虫之间的亮度关系及位置更新公式更新每个萤火虫的位置，并根据更新的所述萤火虫的位置重新计算任意两个萤火虫之间的引力关系，直至辨识出的转动惯量的精度达到阈值或迭代的次数达到预设值。

【技术特征摘要】
1.一种卫星全物理仿真系统的转动惯量辨识方法，其特征在于，包括；对待测气浮仪表平台上的飞轮组件输入三轴的正弦输入信号，并实时采集所述飞轮组件的飞轮转速和飞轮转子转动惯量以及待测气浮仪表平台上的陀螺仪反馈的台体姿态角速度；根据所述台体姿态角速度、飞轮转速和飞轮转子转动惯量建立动力学模型；基于萤火虫算法建立用于衡量所述动力学模型与实际系统之间的接近程度的准则函数；从所述准则函数的解空间中随机初始化萤火虫的位置并计算任意两个萤火虫之间的引力关系；根据任意两个萤火虫之间的亮度关系及位置更新公式更新每个萤火虫的位置，并根据更新的所述萤火虫的位置重新计算任意两个萤火虫之间的引力关系，直至辨识出的转动惯量的精度达到阈值或迭代的次数达到预设值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述台体姿态角速度、飞轮转速和飞轮转子转动惯量建立动力学模型的步骤包括：根据角动量定理和柯氏定理建立如下所示的系统模型：其中，Tg表示质心偏心力矩，Tc表示常值干扰力矩，Kω表示阻尼力矩。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述台体姿态角速度、飞轮转速和飞轮转子转动惯量建立动力学模型的步骤还包括：对所述系统模型的两边进行积分处理后获得如下所述的动力学模型：其中，ω1、ω2和ω3分别表示三轴飞轮转速，ωx、ωy、和ωz分别表示陀螺仪测量得到的台体姿态角速度，Jf表示飞轮转子转动惯量。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于萤火虫算法建立用于衡量所述动力学模型与实际系统之间的接近程度的准则函数的步骤还包括：基于最小二乘法建立如下的准则函数：

【专利技术属性】
技术研发人员：杨先睿，夏红伟，马广程，王常虹，考永贵，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23