[发明专利]一种大型组合体转位控制方法

摘要

本专利公布了一种大型组合体转位控制方法，建立了基座与操作目标一体的转位动力学方程，方程中同时考虑了执行机构的角动量方程、重力梯度力矩、气动力矩；对转位时间区间进行离散化，以初始姿态为基准，利用数学仿真，求取每个离散时间点上执行机构角动量相对姿态的偏导数，进而求取姿态增量，使在新姿态历程下，执行机构角动量减小，反复多次求取姿态增量，直到执行机构的角动量不饱和；再利用姿态跟踪控制器使组合体姿态跟踪期望的姿态历程，从而在进行转位时，保证执行机构角动量不饱和，完成转位控制。

主权项

1.一种大型组合体转位控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)设组合体基座，即先发射入轨的部分，编号为0，设目标体，即后发射入轨进行交会对接的部分，编号为1；大型组合体基座与目标体组合形成组合体；定义轨道坐标系XYZ，原点位于组合体的质心，Z轴指向地心，X轴指向大型组合体飞行方向，Y轴与X、Z轴形成直角坐标系；在基座与目标体上，分别建立固连的本体坐标系；定义组合体基座的本体坐标系X0Y0Z0，原点位于组合体基座的质心，X0轴、Y0轴、Z0轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴平行；定义目标体的本体坐标系X1Y1Z1，原点位于目标体的质心，X1轴、Y1轴、Z1轴分别对应与X轴、Y轴、Z轴分别平行；定义惯性坐标系XiYiZi，原点位于组合体的质心，Xi、Yi、Zi在惯性空间内保持指向不变；则根据角动量方程建立转位过程中系统的姿态动力学方程：其中，J_A表示系统总的转动惯量，J₀为基座相对于其质心的转动惯量，J₁为目标体相对其质心的转动惯量，m₀和m₁分别为组合体基座与目标体的质量，R为目标体质心相对基座质心的矢量，ω₀为组合体基座相对于惯性坐标系的角速度，ω₁为目标体相对基座的角速度，V₁为目标体质心相对基座质心的运动速度；A₀₁为从目标体的本体坐标系X₁Y₁Z₁到组合体基座的本体坐标系X₀Y₀Z₀的坐标转换矩阵；h_cmg为执行机构的角动量；上式中除了ω₁及J₁在目标体的坐标系内表示，其它矢量或并矢均在基座的本体系内表示；右上标×代表三维列阵的斜对角阵，如R^×表示R＝[R_x R_y R_z]^T的斜对角矩阵，即重力梯度力矩τgg为：其中，R_C为地心到组合体质心连线方向矢量，为地心到组合体质心连线方向的单位矢量，μ＝398600.44km³/s²；气动力矩τ_aero为：其中，Ak是组合体上第k块迎风面积，n为正整数，ρ是大气密度，VR是组合体飞行速度大小，Ck是组合体上第k块迎风面积的力臂，vb是来流方向的单位矢量；CD为常数；(2)假设以轨道坐标系XYZ为参考坐标系，组合体相对轨道系的姿态用姿态四元数表示，则建立如下运动学方程：其中ε是姿态四元数的矢量部分，ω_orb为轨道角速度，对于圆轨道，该值为常值；I_3×3为3×3的单位阵；(3)定义从转位开始的时间t0到转位结束的时间tf为转位时间段[t0 tf]，对转位时间段进行离散化，设离散步长为Δt，离散点数为N，采样时间点为t1、t2……tN；设转位过程中组合体姿态保持三轴对地稳定状态，即ε＝[0 0 0]T，ω0＝ωorb，以此姿态作为转位过程的当前姿态历程；(4)采用当前姿态历程，对上述的动力学与运动学方程进行数学仿真，记录下整个转位过程中的hcmg历程，形成如下的向量：其中，hN＝hcmg(tN)；如果H_cmgsat为执行机构的饱和阈值，即组合体以当前姿态历程进行转位控制时，角动量执行机构不饱和，跳转到步骤(6)；否则进入步骤(5)；(5)对姿态历程进行优化：(5a)将动力学方程中涉及到的导数项进行离散化，假设ε‑1＝ε0＝[0 0 0]T，εN‑1＝εN＝[0 0 0]T；则离散化方程如下：k∈[0,N]，除了ε‑1、ε0、εN‑1、εN，形成如下列向量：(5b)对中的加上一个小的摄动量δ，即令令：(5c)以ε*为姿态历程，对上述运动学与运动学方程进行数学仿真，记录下整个转位过程中的hcmg历程，形成如下的向量：计算H₀相对的梯度：此时k＝1；令为3N×3(N‑2)的矩阵，令上式求得的div_k为的第k列；(5d)设θ₁、ψ₁、θ₂、ψ₂、θ₃、ψ₃、…、θ_N‑2、ψ_N‑2的编号m分别为1、2、…3(N‑2)，针对m＝1,2,…3(N‑2)，分别对进行摄动，回到步骤(5b)，分别求取θ₁、ψ₁、θ₂、ψ₂、θ₃、ψ₃、…、θ_N‑2、ψ_N‑2的梯度函数div_m，令div_m为的第m列；(5e)求取系数α为正数，令εb＝εb+δε，存储当前姿态历程ε；跳回至步骤(4)；(6)利用姿态跟踪控制器，完成转位控制，所述的姿态跟踪控制器形式为：其中，k1和k2为正整数。