一种基于永磁动量交换球的对地凝视卫星姿态控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于永磁动量交换球的对地凝视卫星姿态控制方法，此方法以球形电机为球形动量交换装置，通过定子壳与卫星平台连接，包括：初始化卫星所能承受的最大倾角；确定卫星控制欧拉轴转角；确定分级控制欧拉轴转角；确定各级增量控制力矩；坐标系变换；确定球形转子轨迹控制指令；对球形转子进行轨迹跟踪控制。本发明专利技术可以减少控制计算量。

Attitude control method of ground staring satellite based on permanent magnet momentum exchange ball

The present invention relates to an attitude control method for earth-staring satellite based on permanent magnet momentum exchange ball. The method uses a spherical motor as a spherical momentum exchange device and is connected with a satellite platform through a stator shell, including: initializing the maximum inclination that a satellite can withstand; determining the rotation angle of the Euler axis of the satellite control; and determining the grading control Euler angle. Axis rotation angle; Determination of all levels of incremental control torque; Coordinate transformation; Determination of the ball rotor trajectory control instructions; Tracking control of the ball rotor. The invention can reduce the amount of control calculation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于永磁动量交换球的对地凝视卫星姿态控制方法
本专利属于卫星姿态控制领域，涉及一种对地凝视卫星姿态控制方法。
技术介绍
姿态控制对于对地凝视卫星极其重要，直接决定着其凝视任务完成的质量。长期以来，动量交换装置被广泛的应用到卫星姿态控制中。与传统的推力器相比动量交换装置不消耗不可再生能源，仅消耗太阳能帆板产生的电能，有利于卫星长寿命工作。反作用飞轮结构简单、控制技术成熟已广泛应用到卫星姿态控制中，然而需要至少3个这样的装置才能实现三个自由度的姿态控制。单框架控制力矩陀螺相比反作用飞轮，能够输出连续控制力矩、具有力矩放大效应等优点，但机械结构复杂、体积较大，常用于国际空间站等大型航天器中。此外单框架控制力矩陀螺具有奇异性，通常采用陀螺群构型以产生三自由度的控制力矩及避免奇异，体积庞大且需要复杂的控制率。随着航天技术的发展，对多自由度动量交换装置的需求愈加迫切，双框架控制力矩陀螺、变速控制力矩陀螺应时而生,双框架控制力矩陀螺、变速控制力矩陀螺均能产生两个自由度的控制力矩，要想实现卫星三个自由度的姿态控制至少需要2个这样的装置，因而系统体积庞大、控制律复杂的问题仍然没有很好的解决。近年来还提出了一种将双框架结构与调速功能相结合的变速双框架控制力矩陀螺，可以实现三个自由度的姿态控制，然而其转矩放大效果不理想，硬件制造难度大，控制复杂。为了减小动量交换装置的体积，以便应用到对地凝视卫星等小卫星中，研究者对电磁动量交换装置进行了研究以取代传统的基于驱动电机结构的动量交换装置。在这样的背景下，磁悬浮动量轮、磁悬浮动量球、永磁球形电机等电磁类动量交换装置相继被提出，其中永磁球形电机在一个节点上就可以提供多达三个自由度的控制力矩，具有体积小、结构简单、控制精度高的优点，能够代替复杂的机械传动结构实现三自由度的动量交换,在卫星姿态控制领域有广阔的应用前景，然而传统的球形电机因为机械结构的限制导致转子的运动范围受限。因而本专利提出了一种卫星姿态控制用的新型球形电机并把其称作永磁球形动量交换球。此外现有文献中球形电机的动力学模型均是基于拉格朗日能量法推导得出的，建立的是球形电机控制力矩与欧拉角之间的关系。为了输出期望力矩，通常对欧拉角轨迹进行规划并设计相应的控制律使球形电机按照规划的轨迹运行，该方法计算量大，不适合实时控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种计算量较小的对地凝视卫星姿态控制方法。本专利技术将凯恩方法应用到永磁动量交换球上，直接建立了永磁动量交换球控制力矩与其广义角速度之间的关系，将输出期望力矩问题转换为期望角速度跟踪问题，简化了控制。技术方案如下：一种基于球形电机三自由度动量交换的卫星姿态控制方法，此方法以球形电机为球形动量交换装置，通过定子壳与卫星平台连接，包括下列步骤：(1)初始化卫星所能承受的最大倾角ψmax；(2)确定卫星控制欧拉轴转角ψref＝2arccos(q4)，其中，q4为姿态控制指令，是姿态四元数的标量分量；(3)确定分级控制欧拉轴转角：其中，ψref为卫星机动所需要的欧拉旋转角，ψk是第k级增量机动的控制欧拉轴转角，k是增量机动的次序，取值为{1,2,…,n}，n是设定的总的增量机动级数，tk表示第k次增量机动期望完成时刻，t0＝0；(4)确定各级增量控制力矩Tk＝4Jψk/(tk-tk-1)2*[q1q2q3]T其中，Tk为参考坐标系N下第k级增量机动的控制力矩矢量，J表示卫星绕欧拉轴的转动惯量，[q1q2q3]T是姿态四元数的向量分量，也即欧拉轴；(5)坐标系变换：τk＝[τtτgτh]T＝Cvn*Tk,其中，τk是虚框架坐标系V下的各级增量控制力矩矢量列阵，τh是类飞轮变速转矩分量，τt是由卫星转动产生的陀螺进动力矩分量，τg是转子倾斜加速转矩分量，Cvn为参考坐标系N到虚框架坐标系V的变换矩阵，参考坐标系N即是为卫星姿态参考坐标系；虚框架坐标系V由虚拟单框架确定，在任意时刻球形转子都存在一个虚拟单框架，其框架转动惯量为零，将转子自转角动量方向定义为虚拟坐标轴h，虚拟坐标轴g与转子瞬时倾斜角动量方向也即虚拟单框架转轴重合，虚拟坐标轴t由右手定则确定；(6)确定球形转子轨迹控制指令其中，Ω分别是转子角速度在虚框架坐标轴g、t上的投影分量，表示球形转子本体倾斜角速率、自转角速率；分别是转子角加速度在虚框架坐标轴g、t上的投影分量，表示球形转子本体倾斜角加速度，自转角加速度；Ig，It，Ih分别是球形转子关于虚拟坐标轴g、t、h的转动惯量分量；ωBg，ωBt分别是卫星平台角速度ωB在虚拟坐标系轴g、t上的投影分量；(7)对球形转子进行轨迹跟踪控制将(6)中球形转子虚框架坐标系V下的轨迹控制指令变换到欧拉轴坐标系下进行轨迹跟踪控制；(8)比较第k级增量机动的控制欧拉轴转角与最大倾角，若超过转子最大倾角,则增大所设定的总的增量机动级数n，返回步骤(2)重新进行卫星姿态调整。本专利针对对地凝视卫星姿态控制问题，建立了其对地凝视时的数学模型，将动量交换球应用到卫星上作为其姿态控制的执行器，并利用凯恩方法推导了一个新的动量交换球动力学模型，直接建立其控制转矩与其角速度的关系，方便了动量交换球的控制律的设计。本专利基于卫星姿态误差和卫星角速度误差设计的基于干扰观测器的PD控制器在存在环境干扰力矩、模型不确定性的情况下，能够很好的完成对地凝视任务。附图说明图1是永磁动量交换球的定子结构图。图2是永磁动量交换球的转子结构图。图3是永磁动量交换球转子的虚拟框架描述图。图4是卫星对地凝视控制框图。图5是永磁动量交换球控制框图。图6是动量交换球三个方向的角速度跟踪图。图7是卫星对地凝视过程中误差四元数变化。图8是卫星对地凝视过程中卫星角速度误差变化。图9是卫星对地凝视过程的控制力矩。图10是动量交换球三个自由度方向的角速度。具体实施方式本专利首先建立了基于永磁动量交换球的卫星姿态动力学模型，然后提出了一种基于凯恩方法的动量交换球作动力学模型。然后根据卫星对地凝视时的姿态跟踪误差及角速度跟踪误差设计了一个基于干扰观测器的PD控制器以实现对地凝视卫星的姿态控制。并利用滑模对参数摄动和外界干扰具有不变性的特点设计了永磁动量交换球的控制律。本专利采用的永磁动量交换球的定子、转子的基本结构分别如图1、图2所示。26个空心定子线圈分布在定子八面体的每个顶点上，8个永磁铁分布在转子六面体上的顶点上。永磁动量交换球的通电线圈和转子永磁体之间相互作用产生电磁转矩。按照一定的通电策略对定子线圈进行通电，可以产生自转、偏航和俯仰三个方向的力矩，因而永磁动量交换球可以应用到卫星上实现其三自由度动量交换。基于凯恩方法的永磁动量交换球动力学模型推导：定义F[f1f2f3]、R[r1r2r3]分别为永磁动量交换球定子坐标系、转子坐标系，假设由坐标系F到坐标系R的坐标变换矩阵为凯恩方法中广义位置、广义速度、广义角速度在坐标系F下分别表示为θ＝[α,β,γ]T、ωF。其中α、β、γ分别是永磁动量球在三个轴向运动的欧拉角。动量交换球转子是一个单刚体，利用凯恩方法，转子的动力学方程可以表示为：Mact+Miner＝0，广义主动力矩Mact和广义惯性力矩Miner分别是动量交换球转子的主动力矩和惯性力矩在坐标系F下的投影。由于基座对转子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于永磁动量交换球的对地凝视卫星姿态控制方法，此方法以球形电机为球形动量交换装置，通过定子壳与卫星平台连接，包括下列步骤：(1)初始化卫星所能承受的最大倾角ψmax；(2)确定卫星控制欧拉轴转角ψref＝2arccos(q4)，其中，q4为姿态控制指令，是姿态四元数的标量分量；(3)确定分级控制欧拉轴转角：

【技术特征摘要】
1.一种基于永磁动量交换球的对地凝视卫星姿态控制方法，此方法以球形电机为球形动量交换装置，通过定子壳与卫星平台连接，包括下列步骤：(1)初始化卫星所能承受的最大倾角ψmax；(2)确定卫星控制欧拉轴转角ψref＝2arccos(q4)，其中，q4为姿态控制指令，是姿态四元数的标量分量；(3)确定分级控制欧拉轴转角：其中，ψref为卫星机动所需要的欧拉旋转角，ψk是第k级增量机动的控制欧拉轴转角，k是增量机动的次序，取值为{1,2,…,n}，n是设定的总的增量机动级数，tk表示第k次增量机动期望完成时刻，t0＝0；(4)确定各级增量控制力矩Tk＝4Jψk/(tk-tk-1)2*[q1q2q3]T其中，Tk为参考坐标系N下第k级增量机动的控制力矩矢量，J表示卫星绕欧拉轴的转动惯量，[q1q2q3]T是姿态四元数的向量分量，也即欧拉轴；(5)坐标系变换：τk＝[τtτgτh]T＝Cvn*Tk,其中，τk是虚框架坐标系V下的各级增量控制力矩矢量列阵，τh是类飞轮变速转矩分量，τt是由卫星转动产生的陀螺进动力矩分量，τg是转子倾斜加速转...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪凤，林康，李斌，柳文俊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12