[发明专利]基于控制力矩陀螺的卫星机器人服务车姿态控制方法

说明书

本发明公开了基于控制力矩陀螺的卫星机器人服务车姿态控制方法，包括以下步骤：步骤一，数学建模；步骤二，模型简化；步骤三，设计姿态控制中卫星机器人服务逃离奇异或避免奇异的操纵律；本发明建立基于控制力矩陀螺的卫星机器人服务车多体动力学模型，并对其进行了简化处理，为分析控制力矩陀螺的力矩作用机理和框架约束力提供了依据，据此设计出了姿态控制中卫星机器人服务逃离奇异或避免奇异的操纵律，该操纵律通过引入显奇异面的边界信息，能够确保SGCMG角动量轨迹到达距离最近的显奇异面边界点，并快速的逃离显奇异面，从而降低了由于引入力矩误差对姿态控制性能造成的影响，具有奇异回避花费时间少、干扰冲量小的优点。

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为基于控制力矩陀螺的卫星机器人服务车姿态控制方法。

背景技术

随着全世界范围内全电推进航天器的广泛应用，采用电推进进行卫星机器人服务车的轨道控制已经成为了当前轨道策略设计的新研究热点。开展基于电推进技术的卫星机器人服务车入轨控制、大范围轨道机动、小范围轨道转移、轨道维持、相位调整及保持、寿命末期离轨，以及高轨卫星机器人服务车的定点捕获与保持、南北位保、东西位保等相关轨道控制技术，设计最优的轨道控制算法，结合工程条件约束，分析控制条件，制定合理的控制策略，并进行数值仿真验证，是当前工程实际应用的迫切需求。

同时，为满足大惯量卫星机器人服务车姿态控制和机动要求，现有的基于反作用飞轮组的控制系统能力严重不足，其角动量和力矩包络无法满足卫星机器人服务车姿态机动能力需求。力矩控制陀螺具有角动量大、输出力矩强的特点，其角动量比反作用轮高一个量级，力矩作用远大于反作用控制系统。因此，基于控制力矩陀螺的卫星机器人服务车姿态动力学建模和控制算法设计成为关键。控制力矩陀螺包括基座、框架、框架电机、转子和转子电机等关键部件，其与整星的组合体表现为多刚体动力学模型，因此有必要建立基于控制力矩陀螺的卫星机器人服务车姿态动力学模型，分析控制力矩陀螺的力矩作用机理、框架约束力等；同时，与反作用飞轮不同的是，控制力矩陀螺输出力矩与其当前构型相关，多个力矩陀螺的控制模型复杂且存在奇异现象，需要对其控制算法进行设计；而在现有技术中，并未有此方面的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供基于控制力矩陀螺的卫星机器人服务车姿态控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于控制力矩陀螺的卫星机器人服务车姿态控制方法，包括以下步骤：步骤一，数学建模；步骤二，模型简化；步骤三，设计姿态控制中卫星机器人服务逃离奇异或避免奇异的操纵律；

其中在上述步骤一中，考虑到跟卫星机器人服务车角速度相关的状态和性质，根据欧拉动力学方程，建立基于控制力矩陀螺的卫星机器人服务车多体动力学模型；

其中在上述步骤二中，根据控制力矩陀螺特性，针对步骤一中所获取的数学模型进行初步简化，并根据工程实际，对初步简化后的数学模型进行二次简化；

其中在上述步骤三中，基于步骤二中二次简化后的数学模型和控制力矩陀螺系统奇异原理，针对卫星机器人服务车机动过程中可能遇到的奇异状态，分析并确定奇异面的边界，并对如何能够快速的逃离奇异状态进行分析；然后依据所得的边界信息修改奇异状态附近的指令力矩，并设计能够产生该指令力矩的操纵律，确保系统能够快速的逃离奇异状态。

优选的，所述步骤一中，具体为：根据欧拉动力学方程，应用控制力矩陀螺的刚体卫星机器人服务车的动力学方程为：

式中，ω为卫星机器人服务车本体的惯性角速度，T_ext为航天器所受的外部力矩，包括重力梯度力矩、地磁力矩、气动力矩、太阳光压力矩等外部干扰力矩，H为卫星机器人服务车的总动量矩，在控制力矩陀螺作为执行机构的卫星机器人服务车中，其表达式为：

H＝Iω+h_cmg (12)