法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2016-06-29
授权
授权
2014-07-16
实质审查的生效 IPC(主分类):G05D1/10 申请日:20140408
实质审查的生效
2014-06-18
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种火星着陆器的姿态控制系统,更特别地说,是指一 种基于RCS和MM复合的火星着陆器喷气反作用和质量矩复合控制系 统。
背景技术
火星是距离地球较近的行星之一,其自然环境与地球相似,将火星 探测作为深空探测的一部分,对进一步了解地球、火星的演化过程具有 重要意义。
2010年5月第31卷第3期《宇航学报》中公开了名称为:火星 EDL导航、制导与控制技术综述与展望。文献中指出要实现着陆器在火 星表面的精确着陆,着陆器必须经历进入、下降和着陆三个过程。该文 献中的图2公开了着陆器自主障碍检测与规避体系结构,从图中可以看 出高精度制导与控制是着陆任务成功实施的前提和保障,为实现着陆器 在火星表面的精确着陆,必须为着陆器设计高精度的制导系统,而着陆 器的姿态控制是高精度制导系统所要解决的核心关键技术之一。
在目前的深空探测研究和实践中,大都采用喷气反作用控制系统 (Reaction Control System,RCS)产生着陆器姿态控制所需的控制 力矩。虽然RCS控制简单,具有较强的姿态控制能力,但其工作受着陆 器所携带燃料的限制,而且液体燃料的过度消耗还会引起液体晃动及 RCS的脉冲工作模式,直接影响着陆器姿态的控制控制精度,最终会影 响着陆精度。
变质心(Moving Mass,MM)控制(即质量矩控制)则将质量滑 块安装在着陆器内部,通过质量滑块的移动改变着陆器的质心,可以产 生连续控制力矩,不存在烧蚀问题,结构简单。然而,仅依靠MM不能 产生滚转控制力矩,在大气稀薄时,无法实现较大幅度的姿态机动。
姿态控制系统精度也取决于执行机构的输出力矩精度和控制器所能 达到的控制精度。
发明内容
为此,本发明综合考虑两类执行机构的特点,采用RCS和MM复 合控制模式,实现对火星着陆器姿态的高精度控制。
本发明设计的一种火星着陆器喷气推力器和质量矩复合控制系统, 该系统至少包括有姿态控制器、着陆器系统动力学模型和执行机构;
执行机构是指喷气反作用控制系统RCS和变质心MM的复合执行 机构(2);所述变质心MM中包括有第一质量滑块p和第二质量滑块q; 第一质量滑块p安装在着陆器的本体体坐标系Ob-XbYbZb的Yb轴上,且 第一质量滑块p可以沿Yb轴往复运动;第二质量滑块q安装在着陆器的 本体体坐标系Ob-XbYbZb的Zb轴上,且第二质量滑块q可以沿Zb轴往复 运动;
在基于RSC与MM复合执行机构下构建了着陆器动力学和运动学 模型(3);
姿态控制系统(1)中的姿态控制模块(11)根据接收到的姿态误差 产生姿态控制所需的期望姿态控制力矩并输出给控制分配模块 (12)中的控制力矩分配模块(121);控制力矩分配模块(121)将所 述的期望姿态控制力矩进行分配处理后一方面输出RCS力矩指令给RCS指令分解模块(122),另一方面输出质量滑块力矩指令给质 量滑块指令分解模块(123);RCS指令分解模块(122)对接收到的所 述RCS力矩指令进行分解处理,输出RCS启动指令PWMRCS给执行 机构中的RCS系统;质量滑块指令分解模块(123)对接收到的所述质 量滑块力矩指令进行分解处理,输出MM的位置指令sp,sq给执行机 构中的MM系统;sp表示第一质量滑块p的位置指令,sq表示第二质量 滑块q的位置指令;
复合执行机构(2)中的RCS依据PWMRCS指令产生控制力矩MM依据sp,sq指令产生控制力矩复合执行机构(2)的力矩总和为 作用于着陆器的复合控制力矩;
着陆器动力学和运动学模型(3)是在复合执行机构(2)的力矩总 和与环境因素产生的空气干扰力矩共同作用下,改变火星着陆器姿 态,进而改变着陆器的着陆轨迹,最终完成着陆器姿态和位置的解算。
本发明与现有技术相比优点在于:
①充分考虑火星非球形摄动,太阳、地球等星体引力摄动,以及未建模 动态不确定项,建立基于RCS/MM的火星着陆器复合动力学模型。
②设计的姿态控制系统可以对力矩不确定项进行准确估计并补偿,实现 对着陆器期望姿态的准确跟踪。
③力矩分配采用MM输出最大力矩原则,有效降低着陆器系统的燃料消 耗。
④RCS/MM复合执行机构配合工作,可以产生连续的控制力矩,改善 着陆器的姿态控制精度和控制余度。
附图说明
图1是传统火星EDL导航、制导与控制系统的结构框图。
图2是本发明火星着陆器喷气推力器和质量矩复合控制系统的结构 框图。
图3是本发明火星着陆器喷气推力器和质量矩复合控制系统的控制 分配结构框图。
图3A是本发明的控制力矩分配模块的流程图。
图4是坐标系关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
在图1所示的火星EDL导航、制导与控制系统结构下,本发明设计 的执行机构为RCS和MM的组合,在基于RSC与MM复合执行机构 下构建了着陆器动力学和运动学模型3。
参见图2、图3所示,本发明的一种火星着陆器喷气推力器和质量 矩复合控制系统,该系统包括有姿态控制系统1、复合执行机构2、着陆 器动力学和运动学模型3;其中,姿态控制系统1包括有姿态控制模块 11和控制分配模块12;其中,复合执行机构2包括有RCS和MM。所 述控制分配模块12包括有控制力矩分配模块121、RCS指令分解模块 122、和质量滑块指令分解模块123。
姿态控制系统1中的姿态控制模块11根据接收到的姿态误差产 生姿态控制所需的期望姿态控制力矩并输出给控制分配模块12中的 控制力矩分配模块121;控制力矩分配模块121将所述的期望姿态控制 力矩进行分配处理后一方面输出RCS力矩指令给RCS指令分解模 块122,另一方面输出质量滑块力矩指令给质量滑块指令分解模块 123;RCS指令分解模块122对接收到的所述RCS力矩指令进行分 解处理,输出RCS启动指令PWMRCS给执行机构中的RCS系统;质量 滑块指令分解模块123对接收到的所述质量滑块力矩指令进行分解 处理,输出MM的位置指令sp,sq给执行机构中的MM系统。
复合执行机构2中的RCS依据PWMRCS指令产生控制力矩MM 依据sp,sq指令产生控制力矩复合执行机构2的力矩总和为作用于着陆器的复合控制力矩。
着陆器动力学和运动学模型3是在复合执行机构2的力矩总和与 环境因素产生的干扰力矩共同作用下,改变火星着陆器姿态,进而改 变着陆器的着陆轨迹,最终完成着陆器姿态和位置的解算。
本发明设计的基于RCS和MM的火星着陆器复合控制系统,在考 虑多种环境干扰因素情况下,建立基于RCS/MM的火星着陆器复合动 力学模型;根据着陆器系统姿态误差产生控制系统所需要的控制力矩; 之后,控制分配将总的控制力矩单独分配到两个执行机构,产生控制指 令;最终RCS/MM系统根据各自的输入指令产生实际的控制力矩,精 确调整着陆器姿态。
参见图4所示,在本发明中,火星惯性坐标系记为Oa-XaYaZa,简 称为a系,原点Oa为火星的质心,OaXa轴沿火星黄道平面与赤道平面的 交线并指向春分点方向,OaZa轴方向是火星的自转轴方向,OaYa轴与 OaXa轴、OaZa轴构成右手直角坐标系。
参见图4所示,在本发明中,着陆器的本体体坐标系记为 Ob-XbYbZb,简称为b系,原点Ob为着陆器的质心,ObXb轴位于质心Ob与对称体所确定的平面内,平行于体对称轴,并指向着陆器钝头方向, ObZb轴也位于由质心与体对称轴所确定的平面内,垂直于ObXb轴,并指 向质心所在位置的反方向,ObYb轴与ObZb轴、ObXb轴成右手系。图中, rb为着陆器质心Ob点的绝对矢量。第一质量滑块p安装在着陆器的本体 体坐标系Ob-XbYbZb的Yb轴上,且第一质量滑块p可以沿Yb轴往复运 动。第二质量滑块q安装在着陆器的本体体坐标系Ob-XbYbZb的Zb轴 上,且第二质量滑块q可以沿Zb轴往复运动。
(一)建立基于RCS与MM的着陆器复合动力学模型
考虑火星非球形摄动,太阳、地球等星体引力摄动,以及未建模动 态引起的不确定项。
在本发明中,基于RCS与MM的着陆器平动动力学模型为:
M为着陆器的总质量;为着陆器所受的空气动力;为火星引力 势能;为RCS的推力矢量;
为在惯性坐标系Oa-XaYaZa下的着陆器质心点的二次微分矢量;
为着陆器质心Ob点的绝对矢量;d表示微分标识;t为着陆器的着陆时 刻;a为惯性坐标系的标识;
为建模时动态引入的着陆器燃耗、RCS推力或者MM运动的作用 力不确定项;
为摄动加速度;
为质量滑块相对着陆器的运动产生的惯性力;
为第二质量滑块q的位置矢量;mp为第一质量滑块p的质量;mq为第 二质量滑块q的质量;
为在着陆器的本体体坐标系Ob-XbYbZb下的第一质量滑块的二次 微分位置矢量;
为在着陆器的本体体坐标系Ob-XbYbZb下的第二质量滑块的二次 微分位置矢量;
为在着陆器的本体体坐标系Ob-XbYbZb下的第一质量滑块的一次微 分位置矢量;
为在着陆器的本体体坐标系Ob-XbYbZb下的第二质量滑块的一次微 分位置矢量;
为角速度矢量的一阶微分;
为着陆器本体坐标系相对于惯性坐标系的角加速度矢量的反对称矩 阵,下角标ab为两个坐标系的标识,上角标“×”表示反对称矩阵形式,
在本发明中,基于RCS与MM的着陆器转动动力学模型为:
JO为着陆器的转动惯量;
为着陆器相对于惯性坐标系的角速度矢量;
为角速度矢量的一阶微分;
为空气干扰力矩;
为RCS产生控制力矩;
为MM产生的控制力矩;
为建模时动态引入的RCS控制力矩、空气动力矩、空气阻尼力矩或 者质量滑块运动的力矩不确定项;
为质量滑块运动产生的惯性力矩;且:
ΔJ为质量滑块运动引起的附加转动惯量;且:
为第一质量块p位置矢量的反对称矩阵,上角标“×”表示反对称矩 阵形式,
为第二质量块q位置矢量的反对称矩阵,上角标“×”表示反对称矩阵 形式,
(二)根据着陆器系统姿态误差设计控制系统产生姿态控制力矩
假设着陆器系统四元数姿态误差为
根据着陆器复合动力学模型,在受到控制力矩的作用下,可以求得 当前角速度通过与期望角速度矢量比较,得到姿态角速度误差由误差姿态运动学方程:
可以计算得到着陆器系统四元数姿态误差
记力矩不确定项估计记为估计误差为系统转动惯量 J=JO+ΔJ,选取Lyapunov候选函数V为:
式中,k为姿态控制第一常数,且k>0;Λ为3×3的姿态控制第二常数 矩阵,且Λ>0。
对上式两端求导,整理可得:
为Lyapunov候选函数V的导数;
为着陆器目标坐标系相对于惯性坐标系的期望角速度矢量;
为期望角速度矢量的一阶微分。
在本发明中,姿态控制模块11的不确定模型的估计记为:
在本发明中,姿态控制模块11的控制力矩模型为:
为复合执行机构控制力矩总和;为力矩不确定项估计的一阶微 分。
则式(5)变化为:
式中,Κ为姿态控制第三常数矩阵,且Κ>0。
在本发明中实现对着陆器期望姿态的准确跟踪,式(6)即为对着陆 器系统力矩不确定项的估计,式(7)即为着陆器控制系统所需的姿态控 制力矩。
(三)将控制力矩分配到各执行机构产生控制指令
如图3所示,本发明中姿态控制系统中的控制分配模块12主要分两 步进行:第一步是控制力矩分配模块121将火星着陆器姿态控制力矩指 令分别分配给RCS和MM;第二步是指令分解,根据RCS和MM的 运动学模型,将各自的力矩指令分解为RCS的启动指令PWMRCS及MM的 位置指令sp,sq。
参见图3A所示,假定质量滑块当前产生最大力矩为力矩分配 过程为:
当MM满足偏航通道力矩需求时,Y轴的姿态控制力矩τdy全部分配 给MM,τdy≤τmy,τmy为MM的Y轴控制力矩,即τmdy=τdy和τrdy=0;当 MM无法满足偏航通道力矩需求时,τdy>τmy,MM工作在最大力矩输出 状态,此时输出力矩为τmdy=τmy和τrdy=τdy-τmdy;
当MM满足俯仰通道力矩需求时,Z轴的姿态控制力矩τdz全部分配 给MM,τdz≤τmz,τmz为MM的Z轴控制力矩,即τmdz=τdz和τrdz=0;当 MM无法满足俯仰通道力矩需求时,τdz>τmz,MM工作在最大力矩输出 状态,此时输出力矩为τmdz=τmz和τrdz=τdz-τmdz;
此外,着陆器滚动通道由RCS进行控制,即τrdx=τdx;
最终,RCS得到力矩指令为
指令分解过程为:RCS系统根据分配得到的力矩指令,由RCS指 令分解模块122转换成所对应的启动指令PWMRCS;MM指令分解模块123 根据运动学模型,在不考虑滑块自身动态特性的影响下,计算出位置指 令sp,sq为:
sp为质量滑块p的位置;sq为质量滑块q的位置;Rx为空气动力的 X轴分量;τmdy为MM的控制力矩的Y轴分量;τmdz为MM的控制力 矩的Z轴分量。
(四)复合执行机构响应产生实际控制力矩,调整着陆器姿态
RCS和MM根据各自的输入指令产生实时的控制力矩作 用于火星着陆器,调整着陆器姿态,实现对期望姿态的准确跟踪。
实施例
本实例中,选择最新成功着陆的“好奇号”火星着陆器为研究对象, 相关参数为:M=2500kg,J=diag(2000,4000,6000)kg·m2。 两个质量滑块质量均为80kg,
本实例所设计的复合控制系统接收制导环节产生的期望姿态指令, 并对期望姿态进行跟踪,根据姿态偏差产生所需的控制力矩,并分配给 RCS/MM复合执行机构,产生实际的控制力矩,调整着陆器姿态,保证 制导轨迹的准确跟踪。通过与RCS单独作用的着陆器相比较,本发明所 设计的基于RCS/MM的火星着陆器复合控制系统:控制力矩精度提高 6.09倍左右,姿态角速度跟踪精度提高1.71倍左右,姿态角跟踪精度 提高9.87倍左右;在同一制导系统下,高度跟踪精度提高5.21倍左右, 经度跟踪精度提高3.69倍左右,纬度跟踪精度提高2.31倍左右。
本发明设计的一种基于火星着陆器RCS/MM复合控制系统,该控 制系统通过引入质量滑块执行机构,实现着陆器RCS/MM的复合控制, 不但可以有效降低着陆器系统的燃料消耗,而且还可以产生连续的控制 力矩,改善着陆器的姿态控制精度和控制余度,为火星的精确着陆提供 保障。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知 的现有技术。
机译: 喷气发动机叶片的自动质量矩称量系统
机译: 火星灯光控制系统,火星灯光,操作设备的火星灯光和应急车辆
机译: 惯性质量矩可变的飞轮,能够根据转速的变化来优化惯性质量矩