基于框架角自适应调整的CMG操纵方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于框架角自适应调整的CMG操纵方法及系统。其中，该方法包括如下步骤：(1)依次计算各CMG角动量方向单位矢量和飞行器期望控制力矩方向单位矢量

【技术实现步骤摘要】
基于框架角自适应调整的CMG操纵方法及系统
本专利技术属于飞行器自动控制
，尤其涉及一种基于框架角自适应调整的CMG操纵方法及系统。
技术介绍
随着飞行器任务变得越来越复杂，控制力矩陀螺(CMG)的应用也越来越广泛。CMG具有优异的力矩放大能力及能量存储能力，为了很好的使用CMG，需要保证其在运行的过程中稳定、可靠，而设计有效的操纵律至关重要。CMG的主要问题是奇异问题，由于奇异性的存在，不能保证其精确输出期望控制力矩，不能随动跟踪规划姿态轨迹，甚至影响飞行器快速机动、快速稳定等性能指标的实现，而奇异性的解决主要依靠操纵律的设计。以往关于CMG奇异问题的主要解决方法为：对CMG群力矩矩阵的伪逆下功夫以寻求准确、可解的输出力矩，如添加零运动、添加物理约束、鲁棒伪逆、奇异值分解、混合操纵律等方法，但其中涉及的伪逆解往往难以平衡准确性与可解性，从而影响飞行器性能指标的实现。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于框架角自适应调整的CMG操纵方法及系统，解决了因CMG奇异问题导致卫星不能输出期望控制力矩、甚至影响飞行器性能指标实现的问题。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于框架角自适应调整的CMG操纵方法，所述方法包括如下步骤：(1)依次计算各CMG角动量方向单位矢量和飞行器期望控制力矩方向单位矢量的夹角，得到包含所有夹角的夹角向量Φ,若夹角向量Φ中的最小夹角小于阈值ε，则需要进行自适应调整并计算调整方向；(2)在自适应调整时间内，计算步骤(1)中最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速及相应的力矩，再计算其他CMG的随动补偿转速；(3)将步骤(2)中的最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速、其他CMG的随动补偿转速与CMG的其他操纵律合成，作为CMG控制指令输入。上述基于框架角自适应调整的CMG操纵方法中，在步骤(1)中，若夹角向量Φ中的最小夹角对应第n个CMG框架，则调整方向为其中，为第n个CMG框架的角动量方向单位矢量，为第n个CMG框架的框架转轴单位矢量，sgn(·)为取1或-1两态的符号函数，dot(·)为点乘函数。上述基于框架角自适应调整的CMG操纵方法中，在步骤(1)中，阈值ε为大于30°。上述基于框架角自适应调整的CMG操纵方法中，在步骤(2)中，最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速即第n个CMG框架的正弦运动转速为其中，dt为自适应调整时间，为正弦转速幅值，ts为正弦运动轨迹的半个周期时间。上述基于框架角自适应调整的CMG操纵方法中，在步骤(2)中，其他CMG的随动补偿转速为其中，为其他CMG框架构成的力矩矩阵，Ttn为第n个CMG框架以转速运动产生的力矩。上述基于框架角自适应调整的CMG操纵方法中，在步骤(2)中，若自适应调整时间dt大于正弦运动轨迹的半个周期时间ts，自适应调整结束。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种基于框架角自适应调整的CMG操纵系统，包括：第一模块，用于依次计算各CMG角动量方向单位矢量和飞行器期望控制力矩方向单位矢量的夹角，得到包含所有夹角的夹角向量Φ,若夹角向量Φ中的最小夹角小于阈值ε，则需要进行自适应调整并计算调整方向；第二模块，用于在自适应调整时间内，计算第一模块中最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速及相应的力矩，再计算其他CMG的随动补偿转速；第三模块，用于将第二模块中的最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速、其他CMG的随动补偿转速与CMG的其他操纵律合成，作为CMG控制指令输入。上述基于框架角自适应调整的CMG操纵系统中，若夹角向量Φ中的最小夹角对应第n个CMG框架，则调整方向为其中，为第n个CMG框架的角动量方向单位矢量，为第n个CMG框架的框架转轴单位矢量，sgn(·)为取1或-1两态的符号函数，dot(·)为点乘函数。上述基于框架角自适应调整的CMG操纵系统中，阈值ε为大于30°。上述基于框架角自适应调整的CMG操纵系统中，最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速即第n个CMG框架的正弦运动转速为其中，dt为自适应调整时间，为正弦转速幅值，ts为正弦运动轨迹的半个周期时间。上述基于框架角自适应调整的CMG操纵系统中，其他CMG的随动补偿转速为其中，为其他CMG框架构成的力矩矩阵，Ttn为第n个CMG框架以转速运动产生的力矩。上述基于框架角自适应调整的CMG操纵系统中，若自适应调整时间dt大于正弦运动轨迹的半个周期时间ts，自适应调整结束。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)本专利技术通过阈值ε的设计值和操作方法主动提高CMG系统奇异度，远离奇异区域，而不需要进行奇异规避；(2)本专利技术调整过程自适应，框架角自适应调整采用正弦运动规律并且由其他CMG随动补偿，不产生额外力矩，一方面减小对CMG框架运动的启、停性能需求，另一方面有利于飞行器稳定。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是本专利技术实施例提供的基于框架角自适应调整的CMG操纵方法的流程图；图2是本专利技术实施例提供的CMG正弦运动轨迹的转速和转角示意图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。方法实施例图1是本专利技术实施例提供的基于框架角自适应调整的CMG操纵方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：(1)依次计算各CMG角动量方向单位矢量和飞行器期望控制力矩方向单位矢量的夹角，得到包含所有夹角的夹角向量Φ,若夹角向量Φ中的最小夹角小于阈值ε，则需要进行自适应调整并计算调整方向；(2)在自适应调整时间内，计算步骤(1)中最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速及相应的力矩，再计算其他CMG的随动补偿转速；(3)将步骤(2)中的最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速、其他CMG的随动补偿转速与CMG的其他操纵律合成，作为CMG控制指令输入。具体的，(1)如果未进行自适应调整，判断是否需要自适应调整首先依次计算各CMG角动量方向单位矢量和飞行器期望控制力矩方向单位矢量的夹角，得到包含所有夹角的夹角向量Φ＝{φi},其中为第i个CMG角动量方向单位矢量，φi为计算得到的夹角。如果所有夹角Φ中第n个夹角最小且小于阈值εm(如30度)，则计算调整方向并进入步骤(2)。其中分别为第n个CMG的角动量方向单位矢量、框架转轴单位矢量，sgn(·)为取1或-1两态的符号函数，dot(·)为点乘函数。阈值ε的设计值使得CMG系统远离奇异区域，一般大于30度。(2)进行自适应调整若自适应调整时间dt大于正弦运动轨迹的半个周期时间ts(dt>ts)，则自适应调整结束,否则(即在自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于框架角自适应调整的CMG操纵方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)依次计算各CMG角动量方向单位矢量和飞行器期望控制力矩方向单位矢量

【技术特征摘要】
1.一种基于框架角自适应调整的CMG操纵方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)依次计算各CMG角动量方向单位矢量和飞行器期望控制力矩方向单位矢量的夹角，得到包含所有夹角的夹角向量Φ,若夹角向量Φ中的最小夹角小于阈值ε，则需要进行自适应调整并计算调整方向；(2)在自适应调整时间内，计算步骤(1)中最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速及相应的力矩，再计算其他CMG的随动补偿转速；(3)将步骤(2)中的最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速、其他CMG的随动补偿转速与CMG的其他操纵律合成，作为CMG控制指令输入。2.根据权利要求1所述的基于框架角自适应调整的CMG操纵方法，其特征在于：在步骤(1)中，若夹角向量Φ中的最小夹角对应第n个CMG框架，则调整方向为其中，为第n个CMG框架的角动量方向单位矢量，为第n个CMG框架的框架转轴单位矢量，sgn(·)为取1或-1两态的符号函数，dot(·)为点乘函数。3.根据权利要求1所述的基于框架角自适应调整的CMG操纵方法，其特征在于：在步骤(1)中，阈值ε为大于30°。4.根据权利要求2所述的基于框架角自适应调整的CMG操纵方法，其特征在于：在步骤(2)中，最小夹角所对应的CMG框架的正弦运动转速即第n个CMG框架的正弦运动转速为其中，dt为自适应调整时间，为正弦转速幅值，ts为正弦运动轨迹的半个周期时间。5.根据权利要求4所述的基于框架角自适应调整的CMG操纵方法，其特征在于：在步骤(2)中，其他CMG的随动补偿转速为其中，为其他CMG框架构成的力矩矩阵，Tt...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁利，王新民，何海锋，姚宁，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11