交通工具姿态控制制造技术

本申请公开一种双级交通工具姿态控制系统，其包括：第一姿态控制模块，其具有被布置以提供零动量交通工具姿态控制的至少两个动量轮，每个动量轮包括使动量轮沿着交通工具的三个轴线中的两个轴线枢转的有限行程两轴万向节；第二姿态控制模块，其具有以锥体构型布置的反作用轮以沿着与至少两个动量轮的控制轴线共用的至少一个控制轴线提供交通工具姿态控制；以及控制器，其连接到第一姿态控制模块和第二姿态控制模块，该控制器被配置为协调第一姿态控制模块和第二姿态控制模块的致动以使交通工具在交通工具的三个轴线中的至少一个轴线上旋转。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
通常在低重力环境中交通工具的总体姿态控制通过使用例如推进、控制力矩陀螺仪、反作用轮和动量轮平台来获得。使用推进的姿态控制导致了粗糙的控制，其一般不适于通过高横向角加速度定位具有精确指向系统的车辆，该高横向角加速度用于在小角度的观测场(例如，感兴趣区域)内的点之间移动精确指向系统并且然后以减小的敏捷度在高达三个轴线上使精确指向系统移动通过大角度，从而在另一个感兴趣区域内重新定位并且重新定向交通工具。控制力矩陀螺仪是敏捷的并且提供有效的转矩和动量，但是控制力矩陀螺仪是昂贵的。反作用轮在三个轴线上提供均匀的控制，并且可以在单一轴线上被有效地偏置。但是，反作用轮需要大量的动力来操作。此外，当需要多个反作用轮以满足在两个轴线上的高转矩和动量需求时，增加反作用轮的数量被视为在用于锥体/金字塔(pyramid)构型时提供了减小的回复力(return)。具有多达两个自由度(例如，翻转(tip)/倾斜运动)的动量轮平台提供了在两个轴线上的高加速度，但是它们的动量存储受到平台的角行程和轮尺寸限制。
技术实现思路
因此，旨在解决上述顾虑的系统和方法将会发现是有用的。本公开的一个示例涉及双级交通工具姿态控制系统，其包括第一姿态控制模块、第二姿态控制模块以及控制器，所述第一姿态控制模块具有被布置以提供零动量交通工具姿态控制的至少两个动量轮，每个动量轮包括有限行程两轴万向节，所述第二姿态控制模块具有以锥体构型布置的反作用轮以沿着与至少两个动量轮的控制轴线共用的至少一个控制轴线提供交通工具姿态控制，所述控制器被连接到第一姿态控制模块和第二姿态控制模块，所述控制器被配置为协调第一姿态控制模块和第二姿态控制模块的致动以使交通工具在交通工具的三个轴线中的至少一个轴线上旋转。本公开的一个实施例涉及控制交通工具的姿态的方法。该方法包括控制第一姿态控制模块和第二姿态控制模块的致动，以使交通工具在交通工具的三个轴线中的至少一个轴线上旋转，其中控制第一姿态控制模块的致动包括利用有限行程两轴万向节使每个动量轮沿着交通工具的三个轴线中的两个轴线枢转，并且其中第一姿态控制模块是以第一敏捷度水平提供零动量交通工具姿态控制的动量轮模块，并且第二姿态控制模块是以第二敏捷度水平沿着与动量轮模块的控制轴线共用的至少一个控制轴线提供交通工具姿态控制的锥体反作用轮模块，其中第一敏捷度水平大于第二敏捷度水平。本公开的一个示例涉及双级交通工具姿态控制系统，其包括第一姿态控制模块、第二姿态控制模块以及控制器，该第一姿态控制模块具有被布置以提供零动量交通工具姿态控制的至少两个动量轮，每个动量轮包括使动量轮沿着交通工具的三个轴线中的两个轴线枢转的有限行程两轴万向节，该第二姿态控制模块具有以锥体构型布置的反作用轮，用以沿着与至少两个动量轮的控制轴线共用的至少一个控制轴提供交通工具姿态控制，该控制器被连接到第一姿态控制模块和第二姿态控制模块，该控制器被配置为协调第一姿态控制模块和第二姿态控制模块的致动以使交通工具在交通工具的三个轴线中的至少一个轴线上旋转，从而至少两个动量轮提供零动量操纵增量给反作用轮。附图说明因此已经概括地描述了本公开的示例，现在将参考附图，附图没必要按比例绘制，并且其中类似的参考标记指定几个附图中相同或类似的零件，并且其中：图1是根据本公开的一个方面的双敏捷度姿态控制系统的框图；图2是根据本公开的一个方面的包含双敏捷度姿态控制系统的交通工具的示意图；图3A和图3B是根据本公开的一个方面的双敏捷度姿态控制系统的一部分的示意图；图4是根据本公开的一个方面的双敏捷度姿态控制系统的示意图；图5是根据本公开的一个方面的双敏捷度姿态控制系统的分级控制方案的示意图；图6是根据本公开的一个方面的图5的分级控制方案的一部分的示意图；图7是根据本公开的一个方面用于双敏捷度姿态控制系统的控制方法的示意图；图8是根据本公开的一个方面的方法的流程图；图9是航天器生产和维护方法的流程图；以及图10是包含分布式交通工具系统的航天器的示意图。在上述(多个)框图中，连接各种元件和/或部件的实线(如果存在)可以表示机械、电气、流体、光、电磁以及其他耦合件和/或其组合。如本文所用，“耦合”意指直接相关和间接相关。例如，构件A可以与构件B直接相关联，或者可以经由另一构件C与构件B间接相关联。除了框图中描绘的那些耦合件之外的耦合件也可以存在。连接不同元件和/或部件的虚线(如果存在)表示在功能和目的方面与实线表示的耦合件类似的耦合件；但是，用虚线表示的耦合件可以被选择性地提供，或者可以涉及本公开的可替换或可选方面。同样，用虚线表示的元件和/或部件(如果存在)指示本公开的可替换或可选方面。环境元件(如果存在)用点线表示。在上述(多个)框图中，方框可以表示操作和/或其一些部分。连接不同方框的线不暗示操作或其一些部分的任何特定的顺序或依赖性。具体实施方式在以下描述中，多个具体细节被阐明以提供公开构思的全面理解，这些公开构思可以在没有一些或全部细节的情况下被实践。在其他的实例中，已知设备和/或过程的细节已经被省略以避免不必要地模糊本公开。虽然一些构思将结合具体示例来描述，但是将认识到这些示例不旨在进行限制。在此对“一个示例”或“一个方面”的引用意味着结合示例或方面所描述的一个或多个特征、结构或特性被包含在至少一个实施方式内。在说明书中不同位置处的短语“一个示例”或“一个方面”可以指代或可以不指代同一个示例或方面。除非另外说明，术语“第一”、“第二”、“第三”等在此仅用作标记，并且不旨在对这些术语所指代的项目施加顺序、方位或等级要求。而且，对例如“第二”项目的引用不要求或排除存在例如“第一”或更低编号的项目和/或例如“第三”或更高编号的项目。参考图1和图2，本文所描述的本专利技术的各个方面提供了双敏捷度姿态控制系统110，也被表示为双级交通工具姿态控制系统110，其允许对例如具有在低重力环境内操作的精确指向系统的交通工具的交通工具100进行姿态控制，所述交通工具100要求高横向角加速度或高敏捷度以在小角度的观测场内(例如，第一感兴趣区域200)在点P1-P3之间移动，并且然后以减小的敏捷度在高达三个轴线上移动通过大角度以便在具有小角度的观测场的另一感兴趣区域210(例如，不同于第一感兴趣区域的第二感兴趣区域)中内重新定位和重新定向交通工具100，以便观测另一感兴趣区域210内的一个或多个点P4-P6。参考图1，双敏捷度姿态控制系统100的各方面提供了组合式或双敏捷度指向系统，其组合了反作用轮阵列和两个或多个动量轮平台以提供控制力矩陀螺仪的成本有效的替代物。例如，通过权衡锥体构型中的反作用轮和动量轮平台的零动量操纵系统的优点和局限性，所提供的姿态控制系统要求比具有相同数量的交通工具运动自由度的常规姿态控制系统更少的平均功率和更少的动量存储设备。双敏捷度姿态控制系统100包括例如第一姿态控制模块120、第二姿态控制模块130以及通过有线或无线连接被连接到第一姿态控制模块120和第二姿态控制模块130的控制器模块140。控制器模块140包含至少一个处理器141和至少一个存储器142，所述存储器142用非临时编程来配置以便以本文描述的方式控制第一姿态控制模块120和第二姿态控制模块130。例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双级交通工具姿态控制系统(110)，其包括：第一姿态控制模块(120)，其具有被布置以提供零动量交通工具姿态控制的至少两个动量轮(125A，125n)，每个动量轮包括使所述动量轮沿着交通工具(100)的三个轴线中的两个轴线枢转的有限行程两轴万向节(126)；第二姿态控制模块(130)，其具有以锥体构型布置的反作用轮(132A，132m)以沿着与所述至少两个动量轮的控制轴线共用的至少一个控制轴线提供交通工具姿态控制；以及控制器(140)，其连接到所述第一姿态控制模块和所述第二姿态控制模块，所述控制器被配置为协调所述第一姿态控制模块和所述第二姿态控制模块的致动以使所述交通工具在所述交通工具的三个轴线(VC)中的至少一个轴线上旋转。

【技术特征摘要】
2015.06.15 US 14/739,5631.一种双级交通工具姿态控制系统(110)，其包括：第一姿态控制模块(120)，其具有被布置以提供零动量交通工具姿态控制的至少两个动量轮(125A，125n)，每个动量轮包括使所述动量轮沿着交通工具(100)的三个轴线中的两个轴线枢转的有限行程两轴万向节(126)；第二姿态控制模块(130)，其具有以锥体构型布置的反作用轮(132A，132m)以沿着与所述至少两个动量轮的控制轴线共用的至少一个控制轴线提供交通工具姿态控制；以及控制器(140)，其连接到所述第一姿态控制模块和所述第二姿态控制模块，所述控制器被配置为协调所述第一姿态控制模块和所述第二姿态控制模块的致动以使所述交通工具在所述交通工具的三个轴线(VC)中的至少一个轴线上旋转。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置为进行以下至少一个：组合地致动所述第一姿态控制模块和所述第二姿态控制模块；独立地致动所述第一姿态控制模块和所述第二姿态控制模块；以及以预定次序致动所述第一姿态控制模块和所述第二姿态控制模块。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少两个动量轮被布置成沿着所述交通工具的三个轴线中的至少两个轴线提供零动量交通工具姿态控制。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述有限行程两轴万向节包括至少两个致动器、动量轮平台(121)和基座(300)，所述动量轮被安装到所述动量轮平台并且所述至少两个致动器提供所述动量轮平台与所述基座之间的相对运动，所述有限行程万向节的行程被所述至少两个致动器的行程量和所述基座的限制结构中的一个或多个限制；以及其中所述至少两个致动器被确定大小以提供基本等于所述有限行程两轴万向节的角速度矢量和所述动量轮的角动量矢量的叉积的转矩水平。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少两个动量轮中每一个的角动量矢量被沿着所述交通工具的共用轴线布置，并且所述锥体构型与朝向所述交通工具的所述共用轴线...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·S·贝克尔，S·陈，D·Y·纳卡索恩，E·M·哈蒙斯，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US