第六章 基于控制力矩陀螺的航天器姿态控制

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1、第六章第六章基于控制力矩陀螺的姿基于控制力矩陀螺的姿态控制态控制§6.1控制力矩陀螺类型§6.2SGCMG构型及操纵律§6.3SGCMG动量管理策略§6.4姿态控制/动量管理算法§§6.16.1控制力矩陀螺类型控制力矩陀螺类型••双框架控制力矩陀螺双框架控制力矩陀螺ò两个自由度ò结构复杂ò输出力矩较小ò动态响应较差••单框架控制力矩陀螺单框架控制力矩陀螺ò一个自由度ò结构简单ò输出力矩大ò动态响应好§§6.2SGCMG6.2SGCMG构型与操纵律构型与操纵律6.2.1SGCMG工作原理6.2.2SGCMG系统运动奇异与回避6.2.

2、3SGCMG系统构型设计6.2.4SGCMG系统操纵律6.2.16.2.1SGCMGSGCMG工作原理工作原理•SGCMG结构组成ò框架ò恒速旋转的转子•单个SGCMG产生的力矩τ=σ&(g×h)ggσ&σ&σ&()g×h90°σ&()g×hσhh6.2.16.2.1SGCMGSGCMG工作原理工作原理•n个SGCMG的合成角动量nh(σ1,L,σn)=∑hi(σi)h=f(σ)i=1•n个SGCMG产生的合力矩&τσ=J()σJ(σ)=∂f(σ)∂σJJJ()[,,]σ=L1nJd()σσ=hd()σiiiii6.2.26.2.

3、2SGCMGSGCMG系统运动奇异与回避系统运动奇异与回避•奇异的产生机理ò当SGCMG系统达到某特定的框架角组合时，所有SGCMG产生的力矩位于一个平面内,而在此平面的法线方向上，不能产生力矩，则可以说相对于该平面的法线方向，SGCMG系统产生了奇异。•奇异状态的定义òSGCMG系统的奇异状态是指这样一组框架角组合σ，满足ss⋅J(σ)=0，i=1,⋅⋅⋅,n,其中为奇异方向。isò奇异与Jacobi阵降秩之间的关系6.2.26.2.2SGCMGSGCMG系统运动奇异与回避系统运动奇异与回避•饱和奇异ò当SGCMG系统的框架角组

4、合使得系统角动量处于角动量包络上时，SGCMG系统不能再提供力矩。•内部奇异ò奇异状态对应的角动量位于角动量包络的内部ò椭圆型奇异¾不能被零运动回避ò双曲型奇异¾可被零运动回避6.2.26.2.2SGCMGSGCMG系统运动奇异与回避系统运动奇异与回避•能被零运动回避的含义ò在某个奇异状态，存在零运动，使得系统在零运动的作用下，由奇异状态重构到非奇异状态，而角动量不变。ò包含两层意思¾在零运动作用下，非奇异状态是可达的，即SGCMG系统可由零运动连续地把奇异状态重构到非奇异状态；¾施加的零运动可以影响Jacobi阵的秩，即使其秩增

5、加。•零运动的存在性判别ò对任意的SGCMG系统，在某一奇点的适当邻域内，考察矩阵Q=NTPN,如果Q定号，则在该奇点的邻域内不存在零运动，该奇点为椭圆型奇点；反之，存在零运动，为双曲奇点6.2.26.2.2SGCMGSGCMG系统运动奇异与回避系统运动奇异与回避•奇异测度ò表征框架角状态与奇异状态间的距离ò奇异测度为定义在n维空间(框架角空间)上的非负函数，当框架角状态与奇异状态间的距离增大时，奇异测度应增大；反之，应减小。ò常用的奇异测度TmJ()σ=det(J)mJ()σ=μ()minmc()σ=ond()J22i,,,j=

6、1LnmJ()σ=×∑(ijJ)ij<6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系统系统构型设计构型设计•构型的基本要素òSGCMG的数量、构型、SGCMG的角动量及框架角速率•构型设计需考虑的问题ò满足系统任务所需的动量和输出力矩要求(构形效率)；ò奇异面的复杂度要求；ò可靠性要求等等。•常见构型ò正棱锥型ò正棱锥加轴型ò成对安装型6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系统系统构型设计构型设计zzzyyyxxx正三棱锥加轴构型正四棱锥构型双平行安装构型6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系统系统构型设计构型设计zzyyxx正

7、四棱锥加轴构型正五棱锥构型6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系统系统构型设计构型设计zzzyyyxxx正五棱锥加轴构型正六棱锥构型三平行安装构型6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系统系统构型设计构型设计•相同类型构型，不同SGCMG个数•相同SGCMG个数，不同SGCMG构型6.2.36.2.3SGCMGSGCMG系统系统构型设计构型设计•随着SGCMG个数的增多，不含椭圆奇点的角动量空间的体积逐渐增大。•SGCMG构型的对称性越好，其角动量包络越大，不含椭圆奇点的角动量空间的体积越大。•成对安装构型的构型效益最差，但

8、其角动量包络及不含椭圆奇点的角动量空间的包络的几何形状简单，便于操纵律的设计。6.2.46.2.4SGCMGSGCMG系统系统操纵律操纵律卸载卸载控制律执行机构牵连力矩+姿态姿态检测误差姿态控制力矩SGCMG操纵框架机构SGCMG指令计算信号算法指