一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法，属于控制分配领域。首先将n个MEMS微推力器阵列布局安装在立体微纳卫星各个面上，结合每个MEMS固体微推力器阵列中的单位元冲量F计算最终的控制效率矩阵。然后设定混合优化目标函数，并转换成标准的线性规划模型。采用粗细两步分配法对线性规划模型进行求解，得到点火分配的各微推力器并进行点火；点火分配结束后，将使用过的微推力器在控制效率矩阵B中清零；同时，根据立体微纳卫星各个面上所有MEMS固体推力器阵列的消耗量，对各MEMS固体推力器阵列进行调姿，并更新矩阵；当下一次虚拟控制指令到达时，再进行微推力器的点火分配并更新。本发明专利技术具有推力分配精度、均衡度高和快速性的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法
本专利技术属于控制分配领域，涉及MEMS固体微推力器阵列推力分配的方法，具体是一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法。
技术介绍
MEMS固体微推力器阵列具有高度集成、功耗低、体积小、质量轻和结构简单的特点，见文献[1]:杨灵芝，魏延明，刘旭辉在2016年2月发表的《MEMS固体微推力器阵列发展研究》，公开了微纳卫星理想的控制执行机构。但是，由于MEMS微推力器集成度高和元冲量无法重复使用，给控制分配带来了很大的困难。微纳卫星在轨运行时，需求的控制力在各轴向的分布相差较大，推力分配的不均衡会出现少数位置的推力器承担主要的工作任务，在工作一定时间后，主要承担任务的推力器被完全消耗，很多机动以及轨道保持所需要的控制量无法被提供，导致微纳卫星整体工作寿命缩短。为此需要研发基于MEMS推力器阵列的负载均衡推力分配方法，以提高微纳卫星的工作寿命。目前的过驱动航天器负载均衡控制分配技术，是以过驱动航天器的推力器控制分配误差最小以及推力器负载均衡等为设计目标来构建航天器推力分配混合优化模型，详见文献[2]；美国的MarcBodson，SusanA.Frost在2009年8月发表的《CONTROLALLOCATIONWITHLOADBALANCING》，但仅能应用于推力连续且可重复使用的推力器。而目前应用于MEMS推力阵列的控制分配算法是以精度为目标，采用了动态规划、基值组合算法或阵列规划分配算法。如文献[3]：刘旭辉，方蜀州，马红鹏，高庆丰在2012年1月发表的《基于固体微推力器阵列的卫星控制一体化算法》以及文献[4]：刘旭辉，方蜀州，刘书杰，罗莉，权恩在2011年7月发表的《微型姿控固体推力器阵列点火算法》，但是，上述的推力器负载均衡分配技术受制于MEMS推力阵列脉冲型和不可重复使用的特点，无法应用于MEMS推力器的点火分配。目前已经存在的MEMS推力阵列分配技术均未考虑负载均衡的问题，导致出现微纳卫星的部分推力器承担主要的工作任务，会引起MEMS推力阵列的药量浪费，进而导致微纳卫星工作寿命缩短。
技术实现思路
本专利技术针对上述两个问题，提出了一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法，解决了MEMS微推力阵列这种不可重复使用的推力器的负载均衡分配问题，提高了微纳卫星的在轨寿命。具体步骤如下：步骤一、将n个MEMS微推力器阵列布局安装在立体微纳卫星各个面上，结合每个MEMS固体微推力器阵列中的单位元冲量F计算最终的控制效率矩阵。布局是指：在立方体微纳卫星每个面的4个顶角分别各安装一个MEMS固体微推力器阵列；每个MEMS固体微推力器阵列中包括若干微推力器；每个微推力器的推力为单位元冲量F。基础的控制效率矩阵Beq表示为：Ap为n个MEMS固体微推力器阵列产生的单位推力矢量构成的矩阵；表示第i个MEMS固体微推力器阵列产生的推力在微纳卫星的本体坐标系上的单位投影向量；αi是单位投影向量与本体坐标系XOY平面的夹角，βi是单位投影向量在本体坐标系X0Y平面的投影与X轴正向的夹角，Bp是n个MEMS固体微推力器阵列产生的单位力矩矢量构成的矩阵；Bp＝[d1×e1d2×e2…di×ei…dn×en]di×ei是第i个MEMS固体微推力器阵列产生的相对质心的三轴单位力矩矢量；为安装位置矩阵，即相对微纳卫星质心的位置矢量矩阵。表示微纳卫星质心指向第i个MEMS固体微推力器阵列的质心的位置矢量，即第i个MEMS固体微推力器阵列在微纳卫星的本体坐标系中的三个轴上的分量；然后，利用每个MEMS固体微推力器阵列中的单位元冲量F结合基础的控制效率矩阵Beq，计算得到最终的控制效率矩阵B；B＝BeqF步骤二、为满足误差最小和均衡最优，利用最终的控制效率矩阵B设定混合优化目标函数；目标函数如下：minJ＝||Bu-ad||+ε||u+up||其中，||Bu-ad||为误差最小公式，u表示所有MEMS固体微推力器阵列当前时刻的点火指示向量，每个元素取0或1，0表示不点火，1表示点火；ad是由卫星控制系统产生的需求控制指令；||u+up||为均衡最优公式；up为对每个MEMS固体微推力器阵列进行平均区域分割后，每一个区域内的推力器阵列的已消耗个数；ε是点火均衡度权重系数。步骤三、将混合优化的目标函数转换成标准的线性规划模型；线性规划标准模型为：minJ＝cTxxmax≥x≥0Ax＝b式中，cT＝(II00ε)；I是单位矩阵。xmax＝(emaxemaxI1×n+upI1×n+upupmax+1)；emax是误差的上界，取为Bu-ad的1范数，即emax＝||Bu-ad||1；I1×n是1行n列的全1矩阵。x＝[e+e-uδuu*]T；其中，e＝Bu-ad；e+＝s(e)；e-＝-s(-e)；s(e)为新的标量函数；u*＝||u+up||∞；δu为松弛变量：δu＝u*-uu*≤upmax+1δu≤up+I1×nu≤up+I1×n其中，upmax为待分配的MEMS固体微推力器阵列允许点火的推力器数量的最大值。步骤四、针对卫星控制系统产生的某个需求控制指令，采用粗细两步分配法对用线性规划模型进行求解，得到点火分配的各微推力器并进行点火；具体过程为：步骤401、对每个MEMS固体微推力器阵列进行平均区域分割，并将分割后每个区域的中心视作一个伪推力器的作用点；步骤402、对线性规划模型进行粗分配，得到每个分割区域中的伪推力器作用点指示符；指示符取值为1或0，0表示的是该分割区域内没有需要点火的推力器，不用对该区域进行精分配。步骤403、选择指示符为1的各分割区域为推力器阵列上需要点火的区域；步骤404、在粗分配选出的每个待点火区域，对线性规划模型进行精分配，求得每个待点火区域内需要点火的各微推力器对应的指示矩阵。首先，令混合优化目标函数minJ＝||Bu-ad||+ε||u+up||中的系数ε为0，得到数学规划模型；然后，对数学规划模型进行精分配，得到每个区域内需要点火的各推力器对应的指示矩阵；对每个待点火区域再次进行线性规划分配，得到一个与该区域内所有推力器一一对应的点火指示矩阵，矩阵元素取1或0，1表示该元素对应的推力器点火，0表示对应的推力器不点火。步骤五、在本次点火分配结束后，将使用过的微推力器在控制效率矩阵B中清零；即将每个推力器在控制效率矩阵B中对应的列向量置零，更新粗分配效率矩阵的顺序，将使用量多的矩阵置于待选择的末端位置。步骤六、同时，根据立体微纳卫星各个面上所有MEMS固体推力器阵列的消耗量，对各MEMS固体推力器阵列进行调姿，并更新矩阵；调姿的过程如下：首先、将立体微纳卫星六个面划分成3组对称面，法线平行的两个面为一组对称面；在一个完整轨道周期内，设定前后两个面中点火消耗的推力器总量的均值为a；左右两个面中点火消耗的推力器总量的均值为b；上下两个面中点火消耗的推力器总量的均值为c；且假设a≥b≥c；然后、当3组对称面中点火消耗的推力器总量的均值关系满足：(1)当a+c-2b＜m，且t＝NT/(2b)时进行一次主动调姿。调姿的方法为：卫星姿态绕消耗量为b的一组对称面的法线旋转90度，调换消耗量为a和c的两组对称面的位置。m是均衡度的度量，m取值越小推力器消耗的均衡度越高；t是卫本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、将n个MEMS微推力器阵列布局安装在立体微纳卫星各个面上，结合每个MEMS固体微推力器阵列中的单位元冲量F计算最终的控制效率矩阵；基础的控制效率矩阵Beq表示为：

【技术特征摘要】
1.一种MEMS微推力阵列的负载均衡控制分配方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、将n个MEMS微推力器阵列布局安装在立体微纳卫星各个面上，结合每个MEMS固体微推力器阵列中的单位元冲量F计算最终的控制效率矩阵；基础的控制效率矩阵Beq表示为：Ap为n个MEMS固体微推力器阵列产生的单位推力矢量构成的矩阵；表示第i个MEMS固体微推力器阵列产生的推力在微纳卫星的本体坐标系上的单位投影向量；αi是单位投影向量与本体坐标系XOY平面的夹角，βi是单位投影向量在本体坐标系X0Y平面的投影与X轴正向的夹角，Bp是n个MEMS固体微推力器阵列产生的单位力矩矢量构成的矩阵；Bp＝[d1×e1d2×e2…di×ei…dn×en]di×ei是第i个MEMS固体微推力器阵列产生的相对质心的三轴单位力矩矢量；为安装位置矩阵，即相对微纳卫星质心的位置矢量矩阵；表示微纳卫星质心指向第i个MEMS固体微推力器阵列的质心的位置矢量，即第i个MEMS固体微推力器阵列在微纳卫星的本体坐标系中的三个轴上的分量；然后，利用每个MEMS固体微推力器阵列中的单位元冲量F结合基础的控制效率矩阵Beq，计算得到最终的控制效率矩阵B；B＝BeqF步骤二、为满足误差最小和均衡最优，利用最终的控制效率矩阵B设定混合优化目标函数；目标函数如下：minJ＝||Bu-ad||+ε||u+up||其中，||Bu-ad||为误差最小公式，u表示所有MEMS固体微推力器阵列当前时刻的点火指示向量，每个元素取0或1，0表示不点火，1表示点火；ad是由卫星控制系统产生的需求控制指令；||u+up||为均衡最优公式；up为对每个MEMS固体微推力器阵列进行平均区域分割后，每一个区域内的推力器阵列的已消耗个数；ε是点火均衡度权重系数；步骤三、将混合优化的目标函数转换成标准的线性规划模型；线性规划标准模型为：minJ＝cTxxmax≥x≥0Ax＝b式中，cT＝(II00ε)；I是单位矩阵；xmax＝(emaxemaxI1×n+upI1×n+upupmax+1)；emax是误差的上界，取为Bu-ad的1范数，即emax＝||Bu-ad||1；I1×n是1行n列的全1矩阵；x＝[e+e-uδuu*]T；其中，e＝Bu-ad；e+＝s(e)；e-＝-s(-e)；s(e)为新的标量函数；u*＝||u+up||∞；δu为松弛变量：δu＝u*-uu*≤upmax+1δu≤up+I1×nu≤up+I1×n其中，upmax为待分配的MEMS固体微推力器阵列允许点火的推力器数量的最大值；步骤四、针对卫星控制系统产生的某个需求控制指令，采用粗细两步分配法对用线性规划模型进行求解，得到点火分配的各微推力器并进行点火；具体过程为：步骤401、对每个MEMS固体微推力器阵列进行平均区域分割，并将分割后每个区域的中心视作一个伪推力器的作用点；步骤402、对线性规划模型进行粗分配，得到每个分割区域中的伪推力器作用点指示符；指示符取值为1或0，0表示的是该分割区域内没有需要点火的推力器，不用对该区域进行精分配；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨博，朱一川，窦婧文，樊子辰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11