空间站组装时的姿态指令优化

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1、技术论文载人航天2010年第1期空间站组装时的姿态指令优化马艳红张军郭廷荣(北京控制工程研究所空间智能控制技术国家级重点实验室)摘要在空间站组装过程中需采用机械臂进行有效裁荷操作，此时组合体的姿态控制一般采用核心舱控制力矩陀螺(CMG)完成。一旦CMG角动量饱和，则需要进行喷气卸载。进而可能引起严重的控制，结构耦合。因此对核心舱的指令姿态进行优化处理，使得CMG进行姿态控制时的角动量峰值最小，就可为舱段转移时不进行CMG角动量卸载提供了可能。关键词空间站组装舱段转移CMG角动量卸载分类号V448．22'2文献标识码A文章编号1674—58

2、25(2010)01-0017—041引言随着我国载人航天技术的蓬勃发展，建立长期载人空间站成为下一步的工作目标。以舱段组合式空间站为例，在空间站组装过程中需要采用机械臂系统进行各种有效载荷的操作，其中舱段转移任务技术难度大，对控制系统性能提出了更高的要求【11210空间站组装过程中有可能要求将实验舱从核心舱的一个对接口转移到另外一个对接口，舱段转移时待转移的实验舱一般处于停控状态，组合体姿态采用核心舱的控制力矩陀螺(CMG)或喷气发动机进行控制，对于由机械臂连接的两个大型舱段的组合体而言，考虑到喷气控制会造成严重的控制／结构耦合(CSI

3、)问题，有可能对结构造成破坏性的影响，因此安全可靠的方式是通过CMG进行组合体的姿态控制，此时需要考虑CMG的角动量积累问题。CMG属于角动量交换装置，由于容量限制在控制过程中会造成其角动量饱和，此时需要通过喷气对其进行角动量卸载才能继续提供有效的控制力矩。在舱段转移过程中为避免喷气引起的CSI问题，一般期望设计控制律使得转移过程中CMG角动量不饱和，从而无需卸载。要达到上述目标可以从两个方面考虑：一是对机械臂操作进行路径规划，使得在整个舱段转移任务期间组合体姿态控制所需要吸收的摄动角动量较小，这要求舱段转移时实验舱相对核心舱的相对运动足

4、够慢，且组合体的惯量分布有利于姿态控制；二是对核心舱指令姿态进行优化，通过组合体姿态机动使得环境摄动力矩以及有效载荷运动产生的摄动力矩在一定程度上相互抵消，从CMG所需要吸收的摄动角动量较小，不易造成角动量饱和。本文针对核心舱姿态进行优化处理，设计得到的指令姿态轨迹可使得舱段转移过程中CMG角动量峰值最小翻。2动力学模型如图1所示，核心舱质心为A，固联本体系为Fu；待转移实验舱质心为B，本体系为如．，--体系统质心为C，本体系冗∥Fu。A，B通过机械臂连接，在曰的转移过程中曰停控，利用A的CMG系统控制组合体姿态。记系统的约化质量为：来稿

5、日期：2009—10--19；修回日期：2009—1l-23。作者简介：马艳红(1980．6_)。女，博士，工程师，主要研究方向为大型空间组合体导航、制导与控制技术。肛些垒，％+，‰17。：LjJ∞。为轨道角速度在轨道系中的分量表达式；∞。H．B=J8t％／A+mR斌(g)为姜在本体系中的分量表达妄；：‘为姿墓四凳薮：b’AbAT1’’’’’’’’’’’7’⋯～’717’一⋯’⋯’7技术论文载人航天2010年第1期。屯(t)‰G(f)忆≤o‘G(t)hcMG(t)Il：(11)假设不考虑姿态控制误差，即g：g，，则优化问题可转化为：min

6、II^cTMG(￡)^cMc(￡)02(12)可得到待优化函数如下：k(口)=一厂c∞(g，q)-J'ctb(q，q，g)也(13)-,o(q，；)×(J}。∞(g，；)+k+^伽)+Z(q)4优化问题数值求解待优化函数(12)为严重的非线性方程，通常采用迭代方法数值求解。记：t(气)垒凡，c(气)：A凡to(tI)垒魄=∞(吼，q¨)d(tI)垒也茹(g“，qI，qM)(14)h。(气)垒^雎Z(气)垒L。=Z(g。)hcMc(tk)A_hkg(气)垒吼采用有限差分技术，移除(12)中的微分项，记：hcMc(气)垒吃=学；(气)垒；产=

7、％≯(15)讹蹦严守代入(12)式可得：hk+1--‰“江(16)+△“一吒魄吡也五肚■(凡魄+^雎)+死】考虑到四元数g只有3个自由度，取其矢量部分孑作为自变量，记初始时刻k--O，终端时刻k=N+l，则由边界条件可知：gl=gog侧MI(17)即约束性优化问题可转化为如下非约束优化问题：nM．n导詹哺(18)日=其中：hlh2ih_Iv胡‰蚕)ER删，蚕：斗91斗92●：_．qN∈R3‘脚k1(19)对于上述优化问题，可采用Newton法迭代求解。记y(蚕)=}詹嘀(20)6石的更新律取为：6蚕：吨l粤l矗，a>o(21)【aQ7J则

8、可保证每次迭代使得优化函数V(扫)逐渐减小，即8V≤0。5仿真算例初始时刻核心舱和实验舱为“一”字型对接模式，终端时刻为“L’’型对接模式，即需要通过机械臂将实验舱从核心舱的轴向对接口转移到侧