可變面傾角的控制力矩陀螺群設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種可變面傾角的控制力矩陀螺群設(shè)計(jì)方法，用于航天領(lǐng)域的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本發(fā)明在控制力矩陀螺群(CMGs)使用時(shí)，根據(jù)需要調(diào)節(jié)每個(gè)陀螺的框架軸在本體坐標(biāo)系的方向，也就是改變面傾角，從而獲取面傾角變化帶來的力矩控制量。相對(duì)傳統(tǒng)的控制力矩陀螺群是通過改變框架角而產(chǎn)生力矩，本發(fā)明還可以通過調(diào)節(jié)面傾角的大小產(chǎn)生力矩，從而獲得一個(gè)額外的調(diào)節(jié)變量，同時(shí)陀螺群的奇異性得到很大的改善。
【專利說明】可變面傾角的控制力矩陀螺群設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于航天領(lǐng)域的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制力矩陀螺群的新方案 設(shè)計(jì)。

【背景技術(shù)】
[0002] 角動(dòng)量交換裝置是航天器姿態(tài)控制的一類重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)工作原理不同， 這類執(zhí)行機(jī)構(gòu)又可分為兩種，一種是通過改變動(dòng)量輪的轉(zhuǎn)速，即飛輪；另一種是通過改變動(dòng) 量輪的角動(dòng)量的方向，即控制力矩陀螺群（CMGs)。
[0003] 近幾十年來，控制力矩陀螺群已經(jīng)被應(yīng)用于大型航天器，包括太空實(shí)驗(yàn)室 (Skylab)和國(guó)際空間站（ISS)?？刂屏赝勇萑合啾扔陲w輪具有更低的功耗，同時(shí)具有更 大的力矩輸出能力。
[0004] 控制力矩陀螺群通常是由3只以上按照特定方向安裝的控制力矩陀螺組成，以具 備三維的力矩輸出能力。每一只控制力矩陀螺由一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和一個(gè)或多個(gè)框架組 成，當(dāng)只有一個(gè)框架時(shí)稱為單框架控制力矩陀螺（SGCMG)，有兩個(gè)框架時(shí)稱為雙框架控制力 矩陀螺（DGCMGs)。
[0005] 根據(jù)安裝的方向和陀螺數(shù)量的不同，控制力矩陀螺群又可以分為不同構(gòu)型。典型 的幾種構(gòu)型包括：雙平行構(gòu)型、三平行構(gòu)型、四面體構(gòu)型、金字塔構(gòu)型、四棱錐構(gòu)型、五棱錐 構(gòu)型等。其中，金字塔構(gòu)型設(shè)置四個(gè)力矩陀螺，其框架軸分別垂直于金字塔的四個(gè)側(cè)面，為 保證本體坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)軸的角動(dòng)量相等，可得到金字塔面的傾角為β =53. Γ。
[0006] 為評(píng)價(jià)不同構(gòu)型的控制力矩陀螺群的性能，通常采用構(gòu)型效益、失效效益、可控效 益和奇點(diǎn)損失率等幾項(xiàng)指標(biāo)。
[0007] 構(gòu)型效益也被稱為角動(dòng)量效益，即系統(tǒng)在某一構(gòu)型下角動(dòng)量包絡(luò)上的最小角動(dòng)量 與陀螺群角動(dòng)量的代數(shù)和之比，表示為

【權(quán)利要求】
1. 一種可變面傾角的控制力矩陀螺群設(shè)計(jì)方法，其特征在于，控制力矩陀螺群CMGs在 使用時(shí)，設(shè)置每個(gè)陀螺的框架軸在本體坐標(biāo)系的方向能夠調(diào)節(jié)，并通過下面過程獲得CMGs 作用于星體的力矩； 設(shè)CMGs由N個(gè)陀螺構(gòu)成，對(duì)于每個(gè)陀螺i(i= 1，2,…，N)有如下參數(shù)定義： 陀螺i的框架坐標(biāo)系為Fr,_(Q人。C:,)，原點(diǎn)位于陀螺質(zhì)心，&為陀螺i的框架軸向在 星體坐標(biāo)中的方向，^為陀螺i的轉(zhuǎn)子軸向在星體坐標(biāo)中的方向，^ =? ;cgi，Csi和Cti 分別為單位矢量匕、已和匕的列陣表示式；Si為陀螺i的框架角；Ωη為陀螺i的轉(zhuǎn)子 相對(duì)框架的轉(zhuǎn)速；Iii為陀螺i的轉(zhuǎn)子相對(duì)陀螺質(zhì)心的慣量矩陣，U=diag(IigiIreiIrti); ⑴首先，獲得CMGs的總角動(dòng)量hb為：hb =AsIreΩr ; 其中，As = [cslcs2 ...csN]，為CMGs的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速方向矩陣； Irs= [IrslIrs2…IrsJ，是CMGs中轉(zhuǎn)子相對(duì)陀螺質(zhì)心的慣量矩陣在轉(zhuǎn)子軸向分量的矩 陣； Ω^..·Ω_]τ，為CMGs的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速向量； ⑵然后，獲得CMGs作用于星體的力矩Tang為：-怠； 其中，ω= [ωχCOyωζ]τ為航天器相對(duì)慣性坐標(biāo)系的角速度，在星體坐標(biāo)系中描述；?為ω對(duì)應(yīng)的反對(duì)稱矩陣； 4 =Λ4砧，其中Λ中的元素< 為：4 = c"4 + 'c〇s 4 + 'sin 4 ; 'cos3 +'sing是由于面傾角變化帶來的力矩控制量； Cti =cti〇c〇sδ^csitlSinδpCsi =CsiciC0sδ^ctitlSinδi;Csi?和 Cti?分別為Csi 和Cti 的 初始值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可變面傾角的控制力矩陀螺群設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述的CMGs的總角動(dòng)量hb的獲得方法為： (1. 1)首先，獲得陀螺i的轉(zhuǎn)子的角動(dòng)量1^，在框架坐標(biāo)系中描述；
其中，ωΗ為陀螺i的轉(zhuǎn)子相對(duì)慣性坐標(biāo)系的角速度； (1. 2)其次，獲得陀螺i的框架的角動(dòng)量hgi，在框架坐標(biāo)系中描述；
其中，Igi為陀螺i的框架相對(duì)陀螺質(zhì)心的慣量矩陣，Iggi、Igsi和Igti分別為Igi在框架 坐標(biāo)系Fa三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的分量；c〇gi為陀螺i的框架相對(duì)慣性坐標(biāo)系的角速度； (1. 3)然后，獲得陀螺i的總角動(dòng)量Ilcd，在框架坐標(biāo)系中描述為：
Icgi、Iesi和Ieti分別為慣量矩陣Iei =Igi+u=diag[IegiIesiIeti]中的相應(yīng)分量，為 整個(gè)陀螺i繞框架坐標(biāo)系Fa三軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；h。^U和U分別為k在框架坐標(biāo)系Fa 三個(gè)坐標(biāo)軸方向上的分量； (1. 4)在框架坐標(biāo)系中描
述的陀螺角動(dòng)量，轉(zhuǎn)換到星體坐標(biāo)系中為hbi : (1. 5)確定陀螺群的總角動(dòng)量hb為：
其中，Ag = [cglcg2 ...cgN]，為CMGs的框架角速度方向矩陣； At = [ctlct2…ctN]，為CMGs的橫向方向矩陣； 3 = 4…4]'為CMGs的框架角速度向量； leg[Icgl Icg2 IcgN]'Ics [Icsl工cs.2 IcsN]'let[Ictl ^ct2 IctN]; 設(shè)CMGs慣量在星體坐標(biāo)系中的表達(dá)式= + + 444T; 貝[I=Jcn^ty+』gJcg<j+y4sJra12r; 由于實(shí)際情況下有||ω|| <<Ωρ|Μ|?·^，因而hb簡(jiǎn)化為hb =AsIreQf
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種可變面傾角的控制力矩陀螺群設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述的CMGs為金字塔構(gòu)型的CMGs時(shí)，設(shè)面傾角為Θ，則： CMGs的可控力矩7；. =-/?,.4汐sind; 其中，At為CMGs的橫向方向矩陣，At = [ctlct2ct3ct4]人為CMGs的框架角速度方向 矩陣，Ag= [cglcg2cg3cg4] ;hr =IrsiQri 為轉(zhuǎn)子角動(dòng)量，z'=l，2,3,4; 為由于面傾 角變化引入了的調(diào)節(jié)量，S為CMGs的框架角向量，δ= [S1δ2δ3δ4]τ。
【文檔編號(hào)】G05D1/08GK104238563SQ201410448320
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】賈英宏, 王國(guó)慶, 徐世杰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)