采用框架角受限控制力矩陀螺的航天器姿态机动控制

doi:CNKI:11-1929/V.20110310.1710.002

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采用框架角受限控制力矩陀螺的航天器姿态机动控制

郭延宁¹, 李传江¹, 张永合², 马广富¹

1. 哈尔滨工业大学航天学院, 黑龙江哈尔滨 150001;
2. 上海微系统与信息技术研究所, 上海 200050

收稿日期:2010-10-26 修回日期:2011-01-12 出版日期:2011-07-25 发布日期:2011-07-23
作者简介:郭延宁(1985- ) 男, 博士研究生。主要研究方向: 航天器姿态确定与姿态机动控制, 控制力矩陀螺奇异分析及操纵律设计。 E-mail: guoyn@hit.edu.cn 李传江(1978- ) 男, 博士, 副教授, 硕士生导师。主要研究方向: 航天器姿态控制, 最优控制, 非线性控制等。 Tel: 0451-86402726 E-mail: chuanjiangli@gmail.com 马广富(1963- ) 男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 航天器姿态控制, 挠性航天器主动振动控制, 最优控制, 非线性控制等。 Tel: 0451-86402108 E-mail: magf@hit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(60774062);哈尔滨工业大学优秀青年教师培养计划(HITQNJS.2008.006);哈尔滨市科技创新人才研究专项资金(2010RFQXG029);2010年CAST创新基金

Spacecraft Attitude Maneuver Using Control Moment Gyroscope with Gimbal Angle Constraints

GUO Yanning¹, LI Chuanjiang¹, ZHANG Yonghe², MA Guangfu¹

1. School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;
2. Shanghai Institute of Microsystems and Information Technology, Shanghai 200050, China

Received:2010-10-26 Revised:2011-01-12 Online:2011-07-25 Published:2011-07-23

摘要/Abstract

摘要： 以框架角受限的金字塔构型控制力矩陀螺(CMG)为执行机构,研究了航天器欧拉姿态机动控制问题。考虑控制力矩及航天器角速度约束等因素,对已有的姿态机动控制律进行了改进,使其能实现绕欧拉轴的大角度姿态机动。同时考虑力矩陀螺框架角受限情况,通过适当加入空转指令对框架角进行重构,设计了复合控制形式的控制力矩陀螺操纵律,并通过过渡域对切换过程进行削抖。数值仿真表明,所设计的复合控制操纵律能有效通过框架角重构发挥控制力矩陀螺控制能力,且姿态机动控制律能保证系统的欧拉旋转。

关键词: 姿态控制, 欧拉机动, 控制力矩陀螺, 操纵律, 框架角受限, 复合控制

Abstract: This paper deals with the eigenaxis attitude maneuver of a spacecraft actuated by a control moment gyroscope (CMG) with gimbal angle constraints. Taking into consideration such as constraints actuator saturation and slew rate of spacecraft, some modifications are made to the previous attitude maneuver algorithm to ensure it can perform large angle eigenaxis maneuver. By introducing the proper magnitude of null motion to recombine the gimbal angles, a composite control steering logic is proposed for the CMG system with gimbal angle constraints, and a transform domain is also devised to eliminate chattering. Numerical simulations show that the proposed composite control steering logic can effectively utilize the control capacity of a CMG by recombining gimbal angles, and, combined with the attitude maneuver algorithm, realize eigenaxis rotation.

Key words: attitude control, eigenaxis maneuver, control moment gyroscope, steering law, gimbal angle constraint, composite control

中图分类号:

V488.22

郭延宁, 李传江, 张永合, 马广富. 采用框架角受限控制力矩陀螺的航天器姿态机动控制[J]. 航空学报, 2011, 32(7): 1231-1239.

GUO Yanning, LI Chuanjiang, ZHANG Yonghe, MA Guangfu. Spacecraft Attitude Maneuver Using Control Moment Gyroscope with Gimbal Angle Constraints[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2011, 32(7): 1231-1239.

参考文献

[1] Bilimoria K D, Wie B. Time-optimal three-axis reorientation of a rigid spacecraft[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1993, 16(3): 446-452.

[2] Wie B, Weiss H, Apapostathis A. Quaternion feedback regulator for spacecraft eigenaxis rotations[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1989, 12(3): 375-380.

[3] Steyn W H. Near-minimum-time eigenaxis rotation maneuvers using reaction wheels[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1995, 18(5): 1184-1189.

[4] Steyn W H. A dual-wheel multi-mode spacecraft actuator for near-minimum-time large angle slew maneuvers[J]. Aerospace Science and Technology, 2008, 12(7): 545-554.

[5] Wie B, Lu J. Feedback control logic for spacecraft eigenaxis rotations under slew rate and control constraints[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1995, 18(6): 1372-1379.

[6] Wie B, Heiberg C, Bailey D. Rapid multitarget acquisition and pointing control of agile spacecraft[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2002, 25(1): 96-104.

[7] Kurokawa H. A geometric study of single gimbal control moment gyros—singularity and steering law. Report of Mechanical Engineering Laboratory, No. 175, 1998.

[8] Paradiso J. Global steering of single gimballed control moment gyroscopes using a directed search[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1992, 15(5): 1236-1244.

[9] Vadali S R, Oh H S, Walker S R. Preferred gimbal angles for single gimbal control moment gyros[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1990, 13(6): 1090-1095.

[10] Kurokawa H. Constrained steering law of pyramid-type control moment gyros and ground tests[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1997, 20(3): 445-449.

[11] Bedrossian N S, Paradiso J, Bergmann E V, et al. Steering law design for redundant single-gimbal control moment gyroscope[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 1990, 13(6): 1083-1089.

[12] Kurokawa H. Survey of theory and steering laws of single-gimbal control moment gyros[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2007, 30(5): 1331-1340.

[13] Ford K, Hall C. Singular direction avoidance steering for control-moment gyros[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2000, 23(4): 648-656.

[14] Wie B. Singularity escape/avoidance steering logic for control moment gyro systems[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2005, 28(5): 948-956.

[15] Lappas V, Wie B. Robust control moment gyroscope steering logic with gimbal angle constraints[J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2009, 32(5): 1662-1666.

[16] Tekinalp O, Elmas T, Yavrucuk I. Gimbal angle restricted control moment gyroscope clusters //4th International Conference on Recent Advances in Space Technologies. 2009: 585-590.

[17] Tekinalp O, Yavuzoglu E. A new steering law for redundant control moment gyroscope clusters[J]. Aerospace Science and Technology, 2005, 9(7): 626-634.

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[1]	王睿, 周洲, 郭荣化, 黄悦琛. 太阳能无人机伞降着陆多体动力学仿真与试验[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 225721-225721.
[2]	胡庆雷, 邵小东, 杨昊旸, 段超. 航天器多约束姿态规划与控制:进展与展望[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527351-527351.
[3]	冉茂鹏, 王成才, 刘华华, 王薇, 吕金虎. 变体飞行器控制技术发展现状与展望[J]. 航空学报, 2022, 43(10): 527449-527449.
[4]	梁小辉, 胡昌华, 周志杰, 王青. 基于自适应动态规划的运载火箭智能姿态容错控制[J]. 航空学报, 2021, 42(4): 524915-524915.
[5]	黄旭星, 李爽, 杨彬, 孙盼, 刘学文, 刘新彦. 人工智能在航天器制导与控制中的应用综述[J]. 航空学报, 2021, 42(4): 524201-524201.
[6]	黄首清, 刘守文, 翟百臣, 周原, 黄小凯, 秦泰春. 基于综合应力工作态试验和神经网络的CMG失效边界域预测[J]. 航空学报, 2021, 42(4): 524208-524208.
[7]	姜斌, 张柯, 杨浩, 程月华, 马亚杰, 成旺磊. 卫星姿态控制系统容错控制综述[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524662-524662.
[8]	刘闯, 岳晓奎. 空间非合作航天器抓捕后姿态抗干扰控制[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524849-524849.
[9]	徐赫屿, 王大轶, 李文博, 刘成瑞, 符方舟. 基于算子理论的系统可重构性评价与自主重构[J]. 航空学报, 2020, 41(S1): 723747-723747.
[10]	张超凡, 董琦. 考虑输入饱和的固定翼无人机自适应增益滑模控制[J]. 航空学报, 2020, 41(S1): 723755-723755.
[11]	程月华, 江文建, 杨浩, 薛琪, 廖鹤. 基于深度森林的卫星ACS执行机构与传感器故障识别[J]. 航空学报, 2020, 41(S1): 723778-723778.
[12]	刘晶, 汪超, 谢鹏, 周超英. 基于PD控制的仿昆虫扑翼样机研制[J]. 航空学报, 2020, 41(9): 223678-223678.
[13]	卢燕梅, 宗群, 张秀云, 鲁瀚辰, 张睿隆. 集群无人机队形重构及虚拟仿真验证[J]. 航空学报, 2020, 41(4): 323580-323580.
[14]	田栢苓, 李智禹, 吴思元, 宗群. 可重复使用运载器再入轨迹与制导控制方法综述[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 624072-624072.
[15]	董旺, 齐瑞云, 姜斌. 空天飞行器直接力/气动力复合容错控制[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 623850-623850.